基于GIS的碳排放數(shù)據(jù)管理評估系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

摘" 要：隨著GIS的應(yīng)用廣泛性在各個領(lǐng)域都發(fā)揮到重要作用，不同的領(lǐng)域?qū)蒅IS軟件的需求越來越大，領(lǐng)域定制性成為GIS功能的軟件系統(tǒng)必備特點。以相關(guān)地理空間數(shù)據(jù)作為研究對象，對煤礦在勘探和釋放的過程進行數(shù)據(jù)采樣與試驗，并建立開發(fā)平臺和數(shù)據(jù)庫，并在煤礦資源碳排放的需求上，進行基于GIS的碳排放數(shù)據(jù)管理評估系統(tǒng)的設(shè)計。經(jīng)過測試得到，系統(tǒng)可以較好地完成預(yù)期設(shè)定的效果。

關(guān)鍵詞：GIS；碳排放；數(shù)據(jù)管理；評估；系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：TP3" " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）10-0122-05

Abstract： With the widespread application of GIS， it has played an important role in various fields. There is a growing demand for integrated GIS software in different fields. Domain customization has become a necessary feature of the software system with GIS functions. Taking the relevant geospatial data as the research object， this paper samples and tests the data in the process of exploration and release of coal mine， establishes the development platform and database， and designs the carbon emission data management and evaluation system based on GIS. After testing， the system can better achieve the desired results.

Keywords： GIS; carbon emissions; data management; evaluation; system design

全球氣候變暖是人類面臨的重大環(huán)境問題，減緩氣候變暖不僅關(guān)系到人類的生存環(huán)境，更是直接影響到國家的可持續(xù)發(fā)展進程。隨著人類活動的范圍擴大，加劇了全球溫室氣體的排放，甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）濃度增加，二氧化碳急劇增加，空間輻射熱量的能力在不斷降低，這就導(dǎo)致了溫室效應(yīng)不斷增加，導(dǎo)致地球的大氣層受到破壞。因此，為了緩解全球氣候變暖的發(fā)展，節(jié)能減排是首要。我國作為最大的發(fā)展中國家，在節(jié)能減排的力度上非常大。我國的溫室氣體排放總量巨大，人體的溫室氣體排放水平不斷增加，但是從人們的需求角度分析，對資源進行綜合利用，可以緩解溫室氣體的排放速度。碳排放的主要來源與人類的活動息息相關(guān)，其中以化石燃料的燃燒所帶來的碳排放量最大，是造成全球氣候變暖的主要因素，在進行能源開采時，不可忽視碳收支平衡之間的關(guān)系，給人類的生存和發(fā)展帶來了挑戰(zhàn)。基于此，本文以地理信息系統(tǒng)（GIS）作為開發(fā)平臺，引入GIS技術(shù)，進行煤礦資源開發(fā)的研究，深入分析系統(tǒng)的各類需求，從而確定系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源與用途。

1" 關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1" GIS

地理信息系統(tǒng)GIS是一種集采集、存儲和管理于一身的計算機系統(tǒng)，在處理海量的地理數(shù)據(jù)方面具有強大功能。GIS技術(shù)將地圖進行了視覺化，并與查詢、統(tǒng)計等分析數(shù)據(jù)庫集成在一起。GIS不僅可以描述、存儲和分析信息，還可以集中存儲、操作和顯示地理參考信息，是一種專業(yè)的信息系統(tǒng)空間管理系統(tǒng)。GIS由硬件和軟件組成，在兩種支持下，以地理信息數(shù)據(jù)庫作為主要的數(shù)據(jù)來源，在地理模型的基礎(chǔ)上，提出了適用于多種空間的計算機技術(shù)系統(tǒng)。隨著GIS應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展[1]，GIS按照功能分為專題式地理信息系統(tǒng)、區(qū)域信息系統(tǒng)、GIS工具3大類；按照內(nèi)容分為應(yīng)用型GIS和工具性GIS；按照開發(fā)方式分為獨立開發(fā)、借助GIS工具開發(fā)及集成二次開發(fā)。集成二次開發(fā)可以充分發(fā)揮出GIS工具軟件的所有性能，實現(xiàn)在空間數(shù)據(jù)管理、分析管理等方面的優(yōu)勢，利用自帶的制圖功能，進行可視化語言的開發(fā)，并根據(jù)用戶的不同需求，進行有針對性的管理。同時借助獨立開發(fā)與GIS工具開發(fā)兩種開發(fā)方式的長處，提高系統(tǒng)的開發(fā)效率。利用可視化的工具進行開發(fā)的應(yīng)用程序，用戶界面更加友好，數(shù)據(jù)庫管理功能更加強大。

1.2" 組件式GIS

組件作為一個組裝單元，有規(guī)范的接口和環(huán)境，在軟件系統(tǒng)中可以獨立部署。組件式COM是組件與組件之間進行連接的接口規(guī)范，同時更是OLE和ActiveX的共同接口基礎(chǔ)，其主要目的就是讓各種軟件組件之間可以與應(yīng)用軟件形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。組件式GIS是集成了面向?qū)ο笈c組件2大技術(shù)的綜合，其中心思想就是將GIS中的各個模塊進行劃分為不同的控件，讓每一個功能模塊都可以對應(yīng)一個控件，讓每一個控件都可以完成各自的功能。每一個GIS空間中，都可以通過可視化軟件整合開發(fā)工具，形成GIS應(yīng)用程序。

在使用組件技術(shù)進行GIS開發(fā)的過程中，可以以組件的形式為開發(fā)者提供想要的功能。組件式GIS擁有其他傳統(tǒng)工具無法超越的優(yōu)勢，如不需要專門的GIS開發(fā)語言、擁有強大的GIS功能、可以進行二次開發(fā)、更加小巧靈活且成本低。傳統(tǒng)的GIS軟件與用戶之間需要通過工具欄或者其他的菜單進行交互，而組件式GIS可以實現(xiàn)用戶與用戶之間的有效互動，只需要通過方法或者事件即可。

2" 系統(tǒng)開發(fā)平臺

計算機作為一種開發(fā)平臺，所有的計算數(shù)據(jù)與管理數(shù)據(jù)都需要通過計算機完成操作，這種單機結(jié)構(gòu)模式的優(yōu)勢就是更加易于管理，因此對于計算機的性能要求更高，同時數(shù)據(jù)的共享能力下降，從性價比方面進行比較，在成本方面，一臺計算機的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于幾臺計算機的性能[2]。

C/S結(jié)構(gòu)在結(jié)合了硬件環(huán)境優(yōu)勢的同時，還可以對不同端進行任務(wù)分配，在成本方面得到了有效控制。C/S結(jié)構(gòu)就是將任務(wù)進行分解，由多臺計算機完成。客戶端主要完成數(shù)據(jù)處理，服務(wù)器端主要完成核心功能。這種處理方式是當(dāng)下流行的一種計算機應(yīng)用模式。本次系統(tǒng)開發(fā)采用C/S模式，在該模式下，服務(wù)器只需要對數(shù)據(jù)進行集中管理，讓Client端的計算機進行數(shù)據(jù)存儲與處理，以便充分發(fā)揮出其處理數(shù)據(jù)的能力。當(dāng)Client端向計算機發(fā)出請求后，服務(wù)器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺lient端即可。在整個數(shù)據(jù)處理的過程中，將Client端未完成的工作上交到服務(wù)器中，這樣可以大大提高系統(tǒng)的計算能力。

3" 系統(tǒng)總體設(shè)計

3.1" 需求分析

建立一個煤礦資源碳排放的地理信息系統(tǒng)，需要從4個方面進行系統(tǒng)的功能性需求分析。①用戶群體。該系統(tǒng)的設(shè)計主要對象是煤礦資源的開發(fā)、碳核算及碳減排的工作人員，因此為了保證系統(tǒng)的安全性，要針對不同的人員進行對應(yīng)的訪問權(quán)限設(shè)計。②區(qū)域特征。煤礦資源碳排放的估算需要表現(xiàn)出碳排放的空間格局布置[3]。③數(shù)據(jù)特征。在進行煤礦資源開發(fā)所產(chǎn)生的碳排放數(shù)據(jù)類型較多，對于系統(tǒng)的存儲功能及管理功能的要求更高。④結(jié)果輸出。作為系統(tǒng)功能完善的最后一步，需要進行文件的顯示、存儲與輸出，通過調(diào)用ArcGIS Engine組件庫，實現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)顯示功能。

3.2" 總體設(shè)計

3.2.1" 整體架構(gòu)設(shè)計

在進行煤礦資源開發(fā)過程中所產(chǎn)生的碳排放，需要從2大方面進行碳排放數(shù)據(jù)管理評估系統(tǒng)的設(shè)計，分別為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)庫管理與評估。系統(tǒng)整體構(gòu)成如圖1所示。

3.2.2" 體系架構(gòu)設(shè)計

煤礦資源碳排放數(shù)據(jù)庫管理評估系統(tǒng)為了試圖創(chuàng)建一個可靠且開放的地理信息數(shù)據(jù)庫，采用了Access2007作為前端軟件[4]，可以導(dǎo)出多種格式，方便用戶可以重復(fù)使用。由于存在的空間數(shù)據(jù)較多，為了便于管理，本系統(tǒng)采用了ArcSDE和Oraclellg進行終端存儲設(shè)計，ArcSDE作為一種空間數(shù)據(jù)引擎，可以存儲和管理多個用戶，其自身的快速讀取海量數(shù)據(jù)的特點，與ArcGIS進行結(jié)合后，將GIS功能與數(shù)據(jù)庫管理平臺相結(jié)合，實現(xiàn)程序的自定義功能，形成最終的數(shù)據(jù)庫分析平臺。利用C++作為開發(fā)環(huán)境，通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫存儲管理平臺中的數(shù)據(jù)，形成智能平臺以服務(wù)于煤礦資源碳排放中。使用特征算法模型對整個煤礦開采的過程進行碳排放監(jiān)測，對監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行分析、存儲，形成最終的數(shù)據(jù)庫管理評估系統(tǒng)。

利用特征算法模型預(yù)測煤礦開采過程中所產(chǎn)生的碳排放，形成與數(shù)據(jù)庫存儲、數(shù)據(jù)庫分析、數(shù)據(jù)庫預(yù)測共同組件的數(shù)據(jù)庫管理評估系統(tǒng)。

3.2.3" 功能模塊設(shè)計

該系統(tǒng)通過連接數(shù)據(jù)庫將接收到的數(shù)據(jù)信息根據(jù)用戶的不同需求進行分析，并在GIS上進行顯示，通過手動輸入的方式進行目標(biāo)屬性的插入、刪除等操作，通過新建與修改操作對最終的結(jié)構(gòu)進行輸出。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型分為空間操作與屬性操作2大部分，具體的功能模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示[5]。

3.2.4" 模塊之間的關(guān)系

在如圖3所示的系統(tǒng)8大模塊中，沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)形式，當(dāng)系統(tǒng)在完成所有的數(shù)據(jù)處理之后，還需要對地理信息進行處理，這種處理方式與其他的信息處理系統(tǒng)有所不同，圖3為系統(tǒng)功能模塊之間的關(guān)系圖，可以看出數(shù)據(jù)的流向都需要用戶通過輸入信息方可進入系統(tǒng)中，用戶的存儲需要通過數(shù)據(jù)管理模塊中的可視化、統(tǒng)計分析及模擬預(yù)測進行實現(xiàn)，同時還要保證有地理數(shù)據(jù)的支撐。對于可視化模塊，需要有用戶數(shù)據(jù)的支撐，不可以單獨運行，空間分析、排放制圖和模擬分析等模塊需要有地理數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)2大方面的支撐。

4" 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

4.1" 數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)

本系統(tǒng)的設(shè)計中存在2種數(shù)據(jù)類型，分別為空間地理與屬性，2種數(shù)據(jù)方式各有不同。空間地理主要進行地圖上的盆地、城市、油田等位置的標(biāo)識[6]，這些數(shù)據(jù)需要在地圖上進行顯示，以ArcSDE作為數(shù)據(jù)引擎，ArcGIS進行統(tǒng)一管理。所有的數(shù)據(jù)在進行創(chuàng)建時，統(tǒng)一由ArcGIS進行創(chuàng)建，并完成各個表之間的關(guān)系展示。在進行系統(tǒng)開發(fā)時，利用ArcGIS所提供的接口進行數(shù)據(jù)管理與分析，需要注意的是這些數(shù)據(jù)需要通過修改方可在地圖上進行展示。屬性作為一種數(shù)據(jù)管理方式，需要通過實驗獲取，將獲取的數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲到數(shù)據(jù)庫中，在該數(shù)據(jù)庫中，所有的數(shù)據(jù)都需要進行單獨管理，用戶可以根據(jù)對數(shù)據(jù)的需求進行不同的操作。這些數(shù)據(jù)在進行處理的過程中要符合數(shù)據(jù)庫的處理規(guī)則，根據(jù)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系進行導(dǎo)入，為Oracle11g做準(zhǔn)備。在不同因素的影響下，系統(tǒng)在進行數(shù)據(jù)采集時，要對計算機的硬件需求有一定要求，采用Access2007作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，該數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與空間關(guān)系2個數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)組成。通過數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)，獲取碳排放數(shù)據(jù)，如果無法獲取數(shù)據(jù)，要考慮是否因為存儲內(nèi)容過大。內(nèi)容過大會影響其性能，因此在進行數(shù)據(jù)獲取時，要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到其他的數(shù)據(jù)庫中，從而實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。煤礦資源開發(fā)碳排放數(shù)據(jù)庫之間的邏輯關(guān)系如圖4所示。

由于數(shù)據(jù)庫中的存儲數(shù)據(jù)除了現(xiàn)場采集和實驗獲取之外，還可以完成影像和文字的數(shù)據(jù)存儲，在入庫之前，要對所有的數(shù)據(jù)進行檢查，通過檢查之后[7]，數(shù)據(jù)便可以順利存儲到數(shù)據(jù)庫中。對于成功入庫的數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)一的組織和管理進行邏輯關(guān)系的建立，建立完成之后可以對數(shù)據(jù)進行不同的操作，如果在運行過程中出現(xiàn)問題，需要檢查數(shù)據(jù)的質(zhì)量，如果沒有出現(xiàn)任何問題，則完成了數(shù)據(jù)入庫的全過程。

4.2" GIS系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

GIS系統(tǒng)作為一種信息交換的平臺，為了完成信息的形式轉(zhuǎn)換，對于不同的用戶有著不同的需求，用戶的主界面作為系統(tǒng)的主要界面，在進行主頁面的設(shè)計時，要有較好的人機交互體驗，好的用戶界面不僅可以讓軟件變得個性，同時還可以提高用戶的舒適體驗感。因此，該系統(tǒng)進行界面設(shè)計時需要遵循的原則有[8]：以用戶需求為中心；界面簡潔；設(shè)置常用工具在工具欄；互相切換；統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)格。

該系統(tǒng)可以為用戶提供各種方便的交互方式，方便用戶進行菜單、狀態(tài)欄的查看與選擇。系統(tǒng)的主界面布局中，主窗體要顯示地圖的主體位置，最大化地為客戶提供地圖視角。以用戶管理界面為例，用戶管理界面中，主要用于用戶的基本信息錄入，系統(tǒng)會根據(jù)用戶輸入的信息進行權(quán)限的設(shè)置。

基于GIS的煤礦資源碳排放數(shù)據(jù)管理評估系統(tǒng)的首要功能就是需要對碳數(shù)據(jù)進行可視化分析，利用ArcGIS工具庫所提供的各種空間完成地圖的可視化操作[9]，還可以實現(xiàn)地圖繪制功能。視圖布局的主要功能是完成數(shù)據(jù)的顯示、分析、封裝及對碳數(shù)據(jù)的可視化操作，實現(xiàn)在地圖顯示控制中的手動操作。

系統(tǒng)分析與模擬將系統(tǒng)分為了數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、空間分析及空間模擬3大內(nèi)容，其有一個共同的特點就是可以進行數(shù)據(jù)的存儲管理，更是實現(xiàn)系統(tǒng)GIS功能的關(guān)鍵。對于空間模擬分析中的分析功能，可以使用菜單控制的方式方便用戶進行靈活使用。

5" 結(jié)束語

通過討論了基于GIS的煤礦資源碳排放數(shù)據(jù)庫管理評估系統(tǒng)的設(shè)計，進行用戶界面的設(shè)定與實現(xiàn)，根據(jù)煤礦資源碳排放的系統(tǒng)需求、數(shù)據(jù)特征，引入合適框架，進行編程語言的開發(fā)，結(jié)合ArcGIS系統(tǒng)軟件進行空間開發(fā)，與Oracle數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，共同實現(xiàn)了煤礦資源碳排放需求的數(shù)據(jù)存取，實現(xiàn)了更多的擴展性功能。在集成了可視化技術(shù)與GIS技術(shù)后，實現(xiàn)了對海量煤礦資源碳排放的科學(xué)存儲。

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