基于WebGIS的温室气体清单编制系统设计与实现

刘莘，张绍良 ，侯湖平

1.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221008

2.徐州医学院医学信息学院，江苏 徐州 221004

温室气体清单是指一个地区的能源活动、工业生产、农业活动、土地利用变化、城市垃圾处理和电力调入调出等产生的各种温室气体的汇总。通过温室气体清单编制，可以清晰地掌握该地区温室气体的排放结构和组分，辨识温室气体排放量及其排放特征，跟踪温室气体变化和发展趋势，预测未来温室气体排放情景，有助于政府确定减排目标、制定和实施行动计划，提出切实有效的温室气体减排措施和方案，因此编制温室气体清单是政府控制温室气体排放以及企事业单位监管碳排放的重要手段，受到我国各级政府和大型企业的高度重视。目前很多省份都开始了温室气体清单编制工作。

但是温室气体清单编制存在几大难点:1)现行的基础数据采集体系不完善。我国目前虽然在省级层面形成较为系统全面的能源品种统计体系，然而，市县层面统计部门尚未设置专门的能源统计机构，各类数据统计难度大、精度低［1］。2)数据种类众多，类型复杂。根据政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)和省级温室气体清单编制规程，温室气体涉及钢铁、有色金属、电力、石油石化、化工、建材等行业和工业、农业、林业、土地利用等不同来源。建立数据库有助于时空数据的管理。3)温室气体计算复杂。尽管计算公式简单，但是参数多，专业性强，人工计算效率低。4)周期性和时空性。周期性是指每年(或定期)都要编制，时空性是指排放源的空间性和排放的时间性。

为此，引入地理信息技术，开发温室气体清单编制系统，实现温室气体清单编制的自动化、智能化，是十分必要的［2-4］。具体步骤:1)利用地理数据库对采集数据进行分层、分类管理;2)对温室气体排放的时空格局进行分析［5］，如空间尺度上对温室气体排放的结构层次性、空间形态、叠加性以及空间扩散性等分析［6］，时间尺度上对温室气体排放时间序列分析，揭示主要排放源及排放部门的排放变化特征［7］;3)预测分析［8-9］，如找到影响其排放的关键因素(人口、能源结构、经济发展水平等)，建立相应的预测模型，结合GIS 对其排放趋势进行预测等;4)辅助决策［10-11］，通过对温室气体排放的时空分析和预测分析，结合未来经济政策的发展需求，利用GIS进行合理的节能减排方面的辅助决策。笔者系统介绍了自主设计开发的温室气体清单编制系统(greenhouse gas listing compiling system，简称GHGLCS 系统)，包括功能、结构以及关键技术。

1 温室气体清单编制系统的基本要求

我国政府于2004年编制了1994年中国温室气体排放清单，2008年启动了2005年国家温室气体清单的编制工作，2010年，在参考《IPCC 国家温室气体清单指南》［12-14］的同时，结合编制2005年国家温室气体清单工作经验，编制出了《省级温室气体清单编制指南(试行)》［15］。

为此，GHG-LCS 系统以省级温室气体清单编制指南为参考，以徐州市为例进行开发。该系统涉及二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、六氟化硫、四氟化碳、六氟乙烷、三氟甲烷等8 种温室气体，涵盖能源活动(生物质燃烧，煤炭开采、油气逃逸、化石燃料燃烧)，农业活动(稻田甲烷、农用地氧化亚氮、动物肠道、动物粪便)，土地利用变化，废物处理(固体废物填埋、焚烧，生活污水、工业废水处理)，工业生产(水泥生产、半导体生产等共11 种)，电力调入调出等六大类。

由于GHG-LCS 系统涉及温室气体种类多、行业范围广、数据获取难度大，因此系统设计应考虑到如下基本要求。

1.1 数据采集

采集数据的类型多，空间跨度和时间跨度都很大，且周期性明显，因此，需要采用信息网络技术和WebGIS 技术，远程端口与企业、统计部门、职能管理部门直接联系，但需要设置不同权限，为数据采集提供多通道，同时要做到传输安全。

1.2 数据传输

GHG-LCS 系统需要考虑2 点:1)数据类型的传输，如地图、照片、证明文件等;2)大量用户的并发访问。为了确保系统的响应速度和对服务器资源的最少占用，系统需要采用线程池技术，在服务器端为每个用户创建一个相应的线程，有效管理多用户的并发访问。

1.3 数据组织

不同来源的数据既有空间数据，也有属性数据，所以数据之间的关联和数据库表结构要灵活。另外需要考虑数据组织的动态性和可扩展性，因为温室气体计算模型在不断改进，温室气体的编制程序、覆盖范围等都可能调整。

1.4 数据处理与分析

GHG-LCS 系统的基础功能就是温室气体排放量估算，所以需要建立专门的参数库，以便参数调整，同时要给出缺省值和建议区间，以便用户灵活选择。为了能全面分析温室气体排放情况，GHG-LCS系统需要有统计分析、空间分析、缓冲分析和叠置分析等功能。

1.5 数据的输出输入

采用表格信息和图形信息的双重显示方式，更加直观、可靠;采用严格的权限机制，保证数据输出的保密性;输出格式要便于理解和阅读，符合用户的习惯;需要有数据上传功能，包括原始数据、中间数据和统计报表等。

2 系统结构和功能设计

GHG-LCS 系统开发主要采用B/S 和C/S 混合的架构体系，选用Google Maps 为地理信息平台，并选用SQL SERVER 为数据库，采用Microsoft. net 框架进行开发。

2.1 系统逻辑体系架构设计

基于GHG-LCS 系统的需求分析、网络信息发布的特点以及WebGIS 系统的功能，以系统“高内聚、低耦合”为内在逻辑要求，系统的逻辑体系架构划分为3 层，包括数据层、应用逻辑层和客户层(图1)。

数据层主要是通过数据库管理系统实现对属性数据和空间数据的管理功能，属性数据和空间数据通过特定的关键字段进行关联。

应用逻辑层是针对具体问题的操作，通过对关系数据库和空间数据库中数据的访问操作，具体是通过访问数据库(数据的添加、删除、修改、更新、查找等)为逻辑层提供数据服务。

客户层采用Web 的方式，接受用户的请求，并将结果返回，供客户端提供应用程序的访问。

2.2 系统功能设计

GHG-LCS 系统主要功能包括数据获取、数据计算、查询统计、任务分解以及系统维护等，具体如图2 所示。

图1 温室气体清单编制系统(GHG-LCS)的逻辑架构Fig.1 The logical architecture of the greenhouse gas listing compiling system(GHG-LCS)

(1)数据获取功能

数据获取分为直接获取和调查分析2 种:根据统计年鉴或其他渠道直接获取需要数据;根据不同行业、不同企业制定了不同的数据采集页面，对所需要的各种活动水平数据进行录入。

(2)数据计算功能

图2 温室气体清单编制系统(GHG-LCS)功能Fig.2 The function diagram of the greenhouse gas listing compiling system(GHG-LCS)

在数据获取模块的基础上，根据时间、行业、企业、区域等属性的不同，结合试验测得或推荐的排放因子，利用温室气体排放清单所推荐的计算方法，对能源活动、农业活动、土地利用变化、废物处理、工业生产、电力调入调出六大方面所产生的CO2、CH4、N2O 等温室气体排放量进行自动计算。

(3)查询统计功能

查询功能既可以根据时间、行业、企业、区域等不同属性的组合查询，也可以根据地理位置属性进行空间查询。统计分析，是在数据计算模块的基础上，根据监测的需要，有针对性地进行统计分析，得出各区域、行业、企业的温室气体排放量的统计分析结果，并以图表的形式予以显示，直观、醒目。

(4)任务分解功能

任务分解是指温室气体排放控制任务的分解。GHG-LCS 系统通过其任务分解功能将本地区的任务分解到下一级政府(部门)。GHG-LCS 系统采用基于减排压力和减排潜力2 种不同的任务分解方案制定温室气体减排策略，通过2 种策略的对比，最终选择合适的分解方案。

(5)系统管理功能

分为用户管理、权限管理、数据管理、参数管理等:用户管理，主要对用户信息进行管理，如用户的增加、删除和修改等，这是系统安全管理的起点;权限管理，利用严格的权限设置，将用户类型分为普通用户、县区管理员、系统管理员等3 种，不同用户在数据的输入、计算、查询等方面具有不同的权限，在满足各种需求的同时，又保证了信息的私密性;数据管理，可以对属性数据和地图数据进行及时的维护;参数管理，对各类排放因子等参数的管理。

3 系统的数据组织

GHG-LCS 系统涉及到不同的权限管理以及大量的数据计算，因此合理的数据结构对于系统的良好运行起到很大的支撑作用，数据库分为基础信息表、排放因子表和计算数据表3 种(图3)。

图3 数据结构Fig.3 The data structure

4 系统关键技术

GHG-LCS 系统调用Google Maps API 接口构建了GIS 平台，采用AJAX 技术实现了数据的异步传输，使用SQL SERVER 作为后台数据库，使用. net技术作为开发语言。

4.1 基于AJAX 技术的Web 客户端和服务器异步

AJAX(Asynchronous JavaScript and XML)是异步的 JavaScript 和 XML 技 术 的 组 合。采 用JavaScript 调用AJAX 引擎来代替产生Http 用户动作，如内存中的数据编辑、页面导航和数据校验等无需重新载入整个页面的请求。AJAX 技术通过对XML Http Request 和DOM 对象的操作，使得浏览器客户端可以在不刷新整个页面，只刷新局部DOM节点的情况下，与服务器端的数据库进行数据交换，减少了用户等待的时间，它的最大优点是具有更迅捷的速度，同时不需要任何浏览器插件。另外通过AJAX 技术可以完成各种复杂的GIS 操作，实现了将业务层和数据层的分离。

利用上述关键技术，在WebGIS 平台上成功开发出了GHG-LCS 系统。GHG-LCS 系统主界面如图4 所示。系统测试与应用表明，该GHG-LCS 系统界面友好，功能较全，操作简单。

图4 GHG-LCS 系统主要界面Fig.4 The GHG-LCS main interface

4.2 采用C/S 与B/S 混合架构体系

Client/Server(客户端/服务器，C/S)架构的信息系统具有较强的事务处理能力，能实现复杂的业务流程，而Browser/Server(浏览器/服务器，B/S)架构的信息系统具有易用性、通用性和良好的可扩展性等优点。因此，系统设计采用C/S 和B/S 混合架构体系:内部通过C/S 架构在网络客户端上运行CO2监测与统计分析自动化管理系统，对数据进行管理、分析、预测，跟上级部门采用一致的业务数据标准格式，留有关联接口，采用参数定制和XML 数据格式来实现关联数据的定制。通过远程数据共享传输和上下级数据库同步来实现。公众可通过B/S 架构在网页浏览器上查询相关行业、地区CO2排放的具体信息。

4.3 空间关联技术

充分利用了GIS 的空间数据分析与组织功能，调用Google Maps API 接口构建GIS 平台，为区域调查、统计与分析提供了直观、明了的系统界面，使得区域碳排放的空间分布及其变化特征表现得更加直观。

5 结语

GHG-LCS 系统是依据《2006年IPCC 国家温室气体清单指南》以及《省级温室气体清单编制指南》的基础上开发的，具有较强的可扩展性，利用网络平台使省、市、县等不同级别的政府(部门)实现了共享;通过严格的权限设置和灵活的用户分配机制，使得不同区域、不同级别的用户有针对性的输入各种活动水平数据，查询相关部门的温室气体排放情况，同时为不同层次用户制定节能减排措施提供了有力的依据。

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