刘成强　毕建涛

摘要：当今对于在全球碳循环和碳收支研究中，容易忽视伴随各种能源开采过程中的温室气体排放。实际上煤炭开发过程中的碳排放是自然过程碳排放量中的重要一部分，而构建基于WebGIS的碳排放系统有助于实现碳排放数据的实时查询、更新、分析以及共享，为政府提供决策支持。该系统采用B/S设计模式，融合地理信息技术和分布式处理技术，利用silverlight与oracle 数据库相结合，采用分布式架构，进行WebGIS 系统的开发与设计，同时引入实测算法，对煤炭开发过程中碳排放量进行计算、分析，将分析结果以收支年报的形式表达。

关键词：煤炭开发；碳排放；WebGIS IPCC算法；oracle数据库

中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）04-0186-03

1 引言

根据2013年公布的全球碳排放数据，世界各国当年共排放碳360亿吨，突破历史记录，全球人均碳排放量高达5吨之多。其中，中国已跃居最大碳排放国度，排放量占世界29%。其原因在于，伴随我国近些年的经济跨越式进步，油气和煤炭等资源高速大量开发，引发二氧化碳、甲烷等温室气体产生。目前国际上对我国的碳排放估值很高，但由于我国受限于采集渠道和数据格式，一直未能形成有效统一的统计计算管理碳排放体系，因此始终未能形成完整的碳排放评估报告[1]。

伴随信息科技革命和经济持续发展，WWW（World Wide Web）的产生，为全球人类构建了信息互通和交流的渠道，实现了信息的便捷传递。在Internet的发展过程中，GIS技术取得了一系列重大突破，其重要功能和发展趋势主要体现在，人们可以利用Web平台，发布用户需求和想要查询的空间数据[2]。所以，可以基于silverlight技术，构建煤炭生产开发的WebGIS系统，其中利用WCF RIA Service能够访问数据库，而借助ArcGIS Server 平台能够实现数据管理，以及信息发布等目的。利用该系统，既能够对煤炭生产开发的空间数据和属性数据进行科学管理；还能够借助建模功能，直观查看我国煤炭开发的整体分布，并对煤炭开发期间的排放量进行准确计算；同时还能在和 IPCC 算法比较后，梳理得到煤炭开发期间的碳排放收支年报，从而为国家参与世界环境治理和研究减排方案提供依据[3]。

2 系统总体架构

为确保碳排放系统具有快捷、安全、高效的特点，系统主要采用分布式设计，它以WebGIS为基础，综合运用了ArcGIS Server、silverlight及Oracle数据库。其中，作为服务器端产品，ArcGIS Server由著名的ESRI 公司发布，它能够实现多用户集中管理，包括GIS 功能，而且能够确保在构筑程序时，采用工业标准进行。具体来说，其功能表现为两方面：第一，对分布式GIS 系统进行有效开发设计。第二，对Web GIS 系统进行有效开发设计。它能满足基于Web的各种GIS 服务，可当分布式环境下发挥GIS的各种功能，如完成地理数据的处理、制图、管理、编辑和空间分析等。此外，它还能够在不同网络和企业间，实现GIS资源共享，尤其是借助REST 技术，GIS的资源可以在不同网站间相互引用。而作为一种Web 呈现技术，silverlight综合了各种微软技术，成为完善网络应用程序策略的基础性应用程序开发平台[4]。由于其开发框架系统完善，且图像技术和图层技术都是基于向量的，能够将任何图像进行完美融合，保证研发人员更好配合协作，可以无缝连接AJAX 、asp.ne等Web开发环境，所开发的Web 应用程序具有界面美观、内容充实的特点，不管是对于桌面操作系统，或者浏览器，均可实现良好的用户体验和感受。对于ArcGIS与silverlight来说，借助ArcGIS API for Silverlight 能实现二者的完美结合。作为系统的编程接口，它由著名的Esri 公司所发布，主要借助Silverlight 平台实现WebGIS研发设计。

其主要功能表现为：一是对于ArcGIS Server提供的影像、地理、地图、几何、网络和要素等相关服务，借助REST 接口实现访问目的。二是对OGC标准的WCS 、WFS、WMS等服务进行访问，以及对Bing地图服务进行访问等。

如图1所示，在基于WebGIS的煤炭开发过程中的碳排放系统中，为检索查询和相互访问煤炭开发相关数据，主要借助silverlight 客户端程序对ArcGIS Server服务器的数据进行有效调取来实现[5]。

数据层：作为该系统的核心组成，它主要承担数据存储作用，其数据有：采集信息、空间信息、影像资料和统计数据等。通过Oracle 数据库，可以对空间和非空间数据实现一体化管理。借助ArcGIS Server服务器系统，空间数据能够发布地图，从而提升数据处理能力和效果。而借助WCF RIA Service， Silverlight应用程序可有效访问属性数据。服务器层：对于整个系统来说，该层提供了ArcGIS Server的服务器。而且对客户端而言，IIS 服务器还能够有着Web服务功能，以便能够满足用户对系统数据的访问和和GIS处理等需求。客户端层：也就是silverlight客户端的应用程序，该层能够同时满足不同客户端的登录需求，其Web程序界面媒体效果很好，具有交互性强、内容全面的特点，而且便于用户操作、快捷直观。

3 数据库设计

本系统所采集的数据资料，数据复杂、范围广泛，通常可分成两类：（1）空间地理数据；（2）属性数据。前者主要指和煤炭开发有关联的地理空间信息资料，它又可细分为两类：一是煤炭点的实验数据；二是煤炭点的采集数据。对此，本系统在进行数據库的数据组织和存储设计时，主要借助Oracle+ArcSDE的模式完成，该模式综合了Oracle的数据库管理优势以及ESRI在GIS方面的研究成果，能够实现对大量空间数据的有效管理，具有高效、精确、便捷的特点[6]。对于煤炭开发期间相关的属性数据与空间数据，可依据不同Oracle表空间，实现独立存储，并依托约束条件，使二者有效关联，最终实现对空间数据和属性数据系统化管理。该数据库的组织结构示意图2所示。

其中行政区划图、煤炭盆地数据以及煤炭点数据是煤炭开发过程中的主要空间数据，通过对ArcSDE的应用就可以将数据存储到Geodatabase的数据模型中，并可以将属性添加到ArcMap中，采用符号化和渲染的方法对图层进行处理。分析数据、计算数据以及采集数据是煤炭开发过程中的三种属性数据，根据不同的年份来存储这些数据，当数据的年份不同时分别包括井工开采矿井瓦斯抽采量数据、露天矿区产量及瓦斯数据、煤层气地面勘探开发产量数据等数据表格[7]。计算数据主要包括煤炭开发系统中用于模型计算的数据，主要包含各煤炭站点在10年至14年期间的产量数据。系统运行过程中的结果数据分析数据的主要体现。在导入数据的过程中应当严格参考数据字典进行，保证数据库的稳定设计。

4 计算模型介绍

基于WebGIS的煤炭开发过程中得到的碳排放系统，为了保证得到的煤炭数据结果的有效性，应当采取合适的方法设计系统模型。其中IPCC算法和实测算法模型是与系统有关的两个模型[8]。

4.1 实测算法

实测算法模型是由“煤炭开发碳排放数据”项目组中国矿业大学提供。该算法充分借鉴了IPCC在研究煤炭开发系统温室气体排放过程中得到的结论，充分汲取煤田专家现场实测过程中所提出的建议，对地面勘探、露天矿区以及钻井总产生的煤矿温室气体排放进行研究。在煤炭开发的过程中主要是以上三个环节会产生温室气体[9]。通过测量和计算各个环节，全国煤炭田排放分为矿井开发以及气层开发过程中的碳排放，当伴生气具有不同的排放方式时，可以将矿井开发过程中的碳排放分为矿井抽采、地面勘探等，具体模型为：

露天开采CH4排放=（煤层瓦斯含量-煤体残存瓦斯量）×年产量-煤层气利用量

4.2 IPCC算法

由于目前还不能对煤炭开发过程中的碳排放进行实际的测量，因此很多学者通过对IPCC方法的应用来对煤炭开发过程中的碳排放进行估算[10]。通过分析我国在温室气体方面发布的相关方法可以对整个煤炭开发环节进行划分，并根据划分类型的不同设定合理的排放因子，这样碳排放量就可以根据排放因子和活动因子进行综合计算，下式为碳排放量的具体计算公式：

煤炭开发CH4排放=矿井瓦斯相对涌出量×年产量+井口堆放（运输前）CH4排放-煤层气利用量

5 分布式WebGIS碳排放系统模拟与预测过程

空间数据（与空间地理位置有关）、煤炭田每年的采集数据以及开采量主要有数据库来负责存储，单个煤炭田的排放量可以通过IPCC算法模型以及实测算法模型来进行计算，再将所有煤炭田的排放量相加就可以得到总的排放量，然后对比和分析两种不同算法所得到的碳排放量，编制碳收支年报，进而可以得到全国排放碳排放地图，显示和下载的功能可以在客户端浏览器上进来实现[11]。图3所示说明了系统的预测以及模拟流程，根据该流程系统就可以依照相关要求将碳收支年报输出出来，对于准确获取我国碳排放数据由非常积极的作用。

6 系统的实现

数据分析以及数据服务组成了系统的主界面，利用数据服务可以将数据库中的数据体现出来，可以进行在线浏览和检索数据。其中系统的核心功能就是数据的分析，主要包含下载碳收支年报、区分矿井类型、控制地图涂层等等，全国煤炭开发碳排放量可以根据IPCC算法以及实测算法来进行计算，通过对比和分析不同年份的碳排放量就可以为后去的煤炭节能减排工作提供足夠的数据参考。其中对比分析指的就是分析和比较应用IPCC算法和实测算法进行计算得到的全国煤炭田的碳排放量，进而就可以对碳收支年报进行编制和输出，同时还能够将全国的碳排放分布情况在地图上显示出来。

7 结语

本文的主要研究对象为碳排放数据，首先对系统的需求进行了分析，并按照客户端、服务器以及数据库的体系架构来进行整个系统的设计。本文所设计的系统自保证适用性、开放性、可使用性以及可扩展性的基础上实现资源的共享。另外一方面利用WebGIS能够检索和查询地理图形信息，在线分析空间数据，并将实测算法引入到分析模块中，通过这种算法能够对我国煤炭开发过程中的碳排放量进行计算，在对所计算的数据详细分析的基础上就可以完成碳排放收支年报的编制，得到的数据还可以引导我国后续的节能减排工作。

参考文献

[1]唐东军，基于Silverlight技术的水库管理WebGIS研究[D].太原理工大学，2010.

[2]陈国才.基于SilverLight的WebGIS系统及其应用研究[J].科技通报，2013（04）：177-179.

[3]王艳军，基于Oracle与ArcSDE的空间数据管理研究[J].测绘标准化，2012（1）：16-18.

[4]谈树成，金艳珠，冯龙，等.基于RIA的WebGIS斜坡地质灾害气象预报预警信息系统的设计与实现——以怒江为例[J].地球学报，2014（01）：119-125.

[5]郭伟鹏，沈松雨.Silverlight支持下的WebGIS的研究与实现[J].地理空间信息，2011（04）34-36.

[6]吴信才，郭玲玲，白玉琪.WebGIS开发技术分析与系统实现[J].计算机工程与应用，2001（05）：96-99.

[7]吴涛，等.WebGIS开发中的RIA技术应用研究[J].测绘通报，2006（6）：34-37.

[8]王若一.基于Silverlight的WebGIS研究与实践[D].辽宁工程技术大学，2011.

[9]谭德宝，程学军.基于ArcSDE+Oracle9i的防洪减灾综合数据库的构建及应用[J].武汉大学学报（信息科学版），2006（1）：90-93.

[10]张新成.基于Silverlight的WebGIS开发研究[D].云南大学，2010.

[11]祝作佳，基于Silverlight和ArcGISServer的自然过程碳排放WebGIS系统研究与实现[D].中南大学，2014.