家庭碳排放与住区空间形态测度与分析系统的构建

林艺超

[摘 要]针对目前家庭碳排放数据获取与城市空间分析较为单一化，提出家庭碳排放与住区空间形态测度的分析系统的构建。以家庭碳排放与住区空间形态测度与分析为需求，在家庭碳消费情况的数据基础上，基于C#、ACCESS数据库以及ArcGIS，在ASP.NET框架、C#和WebGIS等的支撑上，构建集数据采集、地图点位信息获取和分析于一体化的WebGIS可视化系统，可进行住区空间形态分析，实现数据在线动态的更新，自动化分析城市家庭碳排放情况。结果表明，构建的WebGIS可视化平台系统及数据分析，为低碳城市空间规划及分析提供基础数据和可靠的技术支撑，提高政府决策分析效率。

[关键词]家庭碳排放；住区空间形态；测度；分析；WebGIS

[中图分类号]F592.7 [文献标识码]A

人类生活生产中所排放的二氧化碳是引起全球气候变暖等一系列环境问题的主要原因。全球碳计划的分析报告显示，2010年碳排放量增长5.9%。已突破100亿吨的记录值。2010年全球总碳排放量首次达到100亿吨。至2015年5月份最新数据，全球平均CO2排放量已经达到403.94亿吨。降低城市碳排放，合理规划城市格局，建设低碳城市，是各国近年来经济建设的重点之一。Owens从建筑学角度出发，城市空间形态存在的城市规模、土地利用方式、交通模式等规划因素作为影响能源消耗的重要制约指标；Ewing提出紧凑型城市减少降低城市碳排放；张松等提出低碳城市的空间形态结构规划应充分考虑城市规模，才能有效控制增长密度。此外，也有学者利用GIS方法、Kaya模型来定性定量地分析城市空间形态对能源消耗的影响机制和在城市规划中的碳排放的估量。

国内外已拥有比较成熟的研究手段，但数据获取分析与城市空间分析较为单一化。本系统实现数据获取和数据分析一体化，可以在线通过采集居民碳排放情况，实现数据的动态更新；POI抓取工具可以通过公共地图获取较为准确的社区空间数据，通过WebGIS平台进行相关测度的分析，快捷、直观地表现出家庭碳排放与住区空间形态之间的关系，为决策者提供规划的基础，因此，本系统的开发具有必要性。

1 关键技术

本系统通过对家庭碳排放以及住区空间形态的测度两个方面的分析，将分析内容结合起来，通过构建Web版系统实现在线问卷数据的获取，实现数据的在线处理，能够更加快捷地获取决策所需要的数据，通过相关数据以及测度的计算，较为直观地表现出家庭碳排放与住区空间形态之间所存在的关系。下面对设计系统的关键技术做相关介绍。

1.1 WebGIS开发

WebGIS是展现于网络上的GIS。主要利用互联网发布相关的地理信息数据，开发相关的应用方式，借由其交互方式实现数据的共享与在线更新。通过B/S技术将GIS功能应用展现给用户，是现代GIS技术的重要组成部分。其主要实现了分布式地理信息的空间获取、空间模型的分析服务、空间信息资源的共享等功能，可以嵌套于其他Web功能之中，方便对地理信息数据的分析和功能的完善。

WebGIS将复杂的应用逻辑通过服务器端应用程序来实现，简单的GIS功能则由客户端实现，这种模式有效地提高了系统运行效率。通过安装相应模式的控件，完成客户端的GIS计算。其原理是，Web服务器将客户端所发出的服务请求传送给GIS服务器，服务器处理相关的请求内容并将结果通过HTML或者是GIS數据再借由Web服务器回馈给客户端。另外GIS服务器也能利用Plug-In等客户端形式直接通信，完成GIS服务。

1.2 ACCESS数据库

ACCESS是信息管理领域广泛应用的数据库开发平台，有着良好的人机界面和可视化编程模式。ACCESS提供了多种便于管理数据库以及编写代码所需要的操作规划，开发人员只需要通过使用ACCESS所自带的相关数据库构建功能，即能完成数据库复杂的管理工作，大大减少开发人员的工作量。ACCESS数据库开发相较于其他数据库的技术优势，在于其数据库结构设计、系统功能实现以及程序优化等方面的优异性能。

1.3 C#.NET

C#是一种基于现代面向对象设计方法的语言，包含一个非常大的代码库，是专门为与Microsoft的.NET Framework一起使用而设计的，它用于生成面向.NET环境的代码，支持基于接口编程技术，支持版本控制，提供可扩展的元数据，方便以后对软件的升级与扩展。C#有着以下一些突出特点：与C、C++类似，适合入门，容易上手；支持面向对象开发，有着.NET代码库的支持；允许直接将XML数据映射成结构，C#组件能够方便地为Web服务，可以轻松地创建XML，也可以将XML数据应用到程序中，节省了开发时间。

2 系统设计

2.1 软件总体架构

本系统主要由两部分构成，分别是数据搜集与管理工具系统构建；WebGIS可视化平台系统构建。数据搜集与管理工具系统分为问卷模板设计、入户问卷数据采集、C#数据搜集与管理工具录入软件与ACCESS数据库的构建、根据录入的数据结合ArcGIS和EXCEL初步对所采集的数据进行碳排放与住区空间形态分析，数据搜集与管理工具作为验证WebGIS可视化平台系统结构。

WebGIS可视化平台是本文最重要的部分，其分为三个部分的构建：WebGIS可视化平台问卷系统与数据库的编写、公共地图POI抓取工具的制作以及WebGIS空间分析工具的可视化操作，WebGIS可视化平台问卷与POI抓取工具作为WebGIS空间分析所需要的数据来源。软件总体架构如图1所示。

2.2 总体功能模块设计

本文的系统构建一共从两个方面入手，分别是数据搜集与管理工具系统的构建以及Web版系统的构建与功能的完善。Web版的构建基于数据搜集与管理工具的界面风格和其数据库存储机制，并附加上WebGIS空间分析功能完成从碳排放数据的采集到社区空间的测度分析的功能的完善。

数据搜集与管理工具一共选择厦门市区的48个社区进行调查，每个社区一共进行抽样选取25户家庭配合调查工作。所获取到的数据需要使用C#编写的数据搜集与管理工具问卷调查系统进行录入，保存在ACCESS数据库之中。数据搜集与管理工具的社区空间形态测度分析需要借助ArcGIS来进行相应的操作，结合EXCEL表进行相关的测度计算，分析数值，探究测度对碳排放的影响。数据搜集与管理工具系统作为WebGIS可视化平台系统的基本测试软件，为WebGIS可视化平台系统提供设计基础。

WebGIS可视化平台系统的设计思路是讲数据采集、空间数据获取以及数据分析一体化。（1）WebGIS可视化平台问卷的界面基于数据搜集与管理工具所构建的问卷排版和风格，利用C#编写相关的代码，结合ASP.NET动态服务器框架完成网络版的构建，其保存的数据库基于数据搜集与管理工具的ACCESS数据库进行相关的格式保存，挑选配合度较高的调查者进行持续监测，实现对城市碳排放数据的动态更新与分析；（2）POI抓取工具利用C#.NET及JavaScript进行相应的程序编写，借助HTML百度地图实现地图的可视化，通过该工具获取WebGIS分析所需要的数据，将其导出可供WebGIS可视化平台分析EXCEL格式；（3）WebGIS是基于数据搜集与管理工具测试时所使用到的ArcGIS的空间分析功能，通过构建相应的平台系统，借助POI所获取的数据进行空间形态的计算与分析的。Web版系统是本文的最终成果，辅以数据搜集与管理工具系统进行相应的测试，并通过数据搜集与管理工具的设计思路进行Web版系统的设计与相关功能的完善。系统关系结构图如图2所示。

2.3 数据库设计

数据结构设计采用实体-联系图，它体现出实体类型与属性与联系的方法。结构设计的目的通过建立抽象的概念数据模型，进而来描述数据属性与对象之间的联系。本文所论述的系统的结构设计如图3所示。

C_Name问卷编号是关键字，同时也是讲本数据库与其他表格联系的外键。各个模块部分的主键皆为C_Name。Questionaire7_3和Questionaire7_4的表格字段内容相同，要求每个家庭成员填写一份。

3 系统实现

3.1 数据搜集与管理工具系统的实现

在正式构建Web版问卷系统之前，首先先利用C#编写的数据搜集与管理工具的居民家庭消费问卷调查系统进行数据的录入。数据搜集与管理工具系统作为测试，是向WebGIS可视化平台系统的过渡。借由对数据搜集与管理工具系统界面的完善以及数据库结构的构建，将问卷调查所获取的数据录入，结合ArcGIS和EXCEL对这些数据进行一些初步的计算，论证方法的可行性和必要性，为WebGIS可视化平台系统的实现提供依据。

3.1.1 数据搜集与管理工具问卷系统界面

一是居民家庭基本情况。居民家庭基本情况问卷模块在数据库的构建过程中是以问卷编号为外键进行各个数据库表之间的连接，所以开始填写问卷之前需要先将问卷编号以及社区名称进行输入。问卷的录入采用匿名制，保护用户的隐私。

二是家庭社区情况。家庭社区情况问卷模块在填写问卷之前需要先填写问卷编号，同一个用户填写一致的问卷编号。选择题中的选择1～7代表不同的等级，等级从1至7逐渐提高，1代表不滿意，4代表满意，7代表非常满意。

三是家庭能源消费情况。家庭能源消费情况问卷模块。考虑到目前电器代替燃料使用的情况，问题3若“家中使用燃料吗？”问题选择“否”，之后的关于燃料的问答可以不填。该模块是分析家庭碳排放情况的数据重要来源部分。

四是家庭生活垃圾分类情况。家庭生活垃圾分类情况问卷模块以询问意见形式为主展开设计，问题2至5以多项选择题形式。

五是家庭住宅建筑情况。分为传统土木建筑、砖混建筑、钢筋混凝土建筑、现代新型建筑几个类型进行调查。

六是家庭交通情况。家庭交通情况问卷模块是组成家庭消费问卷调查系统的重要部分。交通碳排放主要来源于机动车使用情况，同时通过对居民日常行为目的地的距离的调查，提供家庭碳排放所必需的交通碳排放部分的数据。

七是家庭食物消费情况。家庭食物消费情况问卷模块由4张表组成，4张表将用户家庭每日的具体食物消费情况内容涵盖，系统性地获取数据，构成家居碳排放的重要部分，为之后的数据分析提供基础，该模块也是组成家庭碳排放数据来源的重要部分之一。

3.1.2 ACCESS数据库

图4为数据库所构建的关系表。C_Name为问卷编号，作为每张数据库表的主键，同时作为外键与其他表格关联。Questionaire表保存的数据为居民家庭基本情况、家庭社区情况、家庭能源消费情况、家庭生活垃圾分类情况和家庭住宅建筑情况五个问卷部分的数据，其中每个问题的保存格式为C_模块号_问题号_该问题的第几个空。选择题的保存形式为保存其等级数。Questionaire_sq保存问卷编号以及社区名称；Questionaire6保存家庭交通情况数据；Questionaire7_1保存家庭食物消费情况表1家庭3日食物消费量；Questionaire7_2保存表2家庭3日用餐人次数登记表；Questionaire7_3保存表3正餐以外的小吃和饮料的消费询问表；Questionaire7_4保存表4每日膳食询问表。

3.1.3 空间分析模块

该部分主要是为了验证测度以及空间分析的可行性问题。通过相关数据的调查和收集，对所需要计算的48个社区进行区以及街道的规分，将所获取的数据进行面积的计算，计算出各个社区行政区域总面积和建设用地面积，并导出到EXCEL里面进行分析。

第一，人口密度=区域人口/区域面积（结果保留两位小数）。

第二，建筑面积=建设用地面积/行政区域总面积。

第三，城市紧凑度：，A为面积，P为周长。通过对2014年langdsat8-TM厦门岛影像处理，得A=140.00平方公里；P=46.37公里，根据公式计算得C=0.9045。

第四，土地利用混合程度：，Ci为属于i类型城市用地占城市总用地比重，m为城市用地类型总数。城市用地所占城市总用地比例Ci=各用地面积/城市总用地比例。将影像分成5类，分别包括：林地、水体、滩涂、裸地、建设用地。土地利用混合度总计总计：S=0.66。

第五，居民区中心距离城市原点的距离。导入数据，由EXCEL生成TXT文本。在文件中选择添加XY坐标，yangdian文件（生成的TXT文件），将文件转换为可处理的shp文件形式。将坐标转化为平面坐标，在添加X坐标列右键选择计算几何，选择X坐标和Y坐标，右键选择“计算几何”。在属性选择“点X（Y）的坐标”。同理得到Y坐标。

第六，确定城市中心。城市原点相对坐标的计算通过岛内的最北、最南、最西、最东四个社区数据计算，分别是：长乐、曾厝、鼓浪屿龙头和前浦南。选择开始编辑要素，编辑点时右键用绝对坐标画出该点。导出“yandian”数据，为EXCEL格式文档。保存类型为dBASE表后导出，并用EXCEL打開.dbf文件查看坐标数据。添加城市原点坐标，并用格式刷将所有行附上城市原点XY坐标的数据。增加“距离”列，输入公式：SQRT（SUMSQ（（E：E-G：G），（F：F-H：H）））；将所有行的距离全部进行计算。

第七，居民中心距离交通枢纽的距离。导入数据。将导入的TXT文件转换为ArcGIS可以处理的shp文件格式。同理将居民社区中心数据进行shp格式的转换。接着进行领域分析，计算出社区中心最近的公交站与居民社区之间的最短距离。结果自动增加了四个字段号，分别是NEAR_FIN、NEAR_DIST（邻近距离）、NEAR_X（近邻的公交站点X坐标）、NEAR_Y（近邻的公交站点Y坐标）。将导出的属性表与邻近要素图层属性表进行连接，然后进行距离的计算。打开编辑文件的dbf格式文件，将其导入到EXCEL。结果如图5所示。

3.2 WebGIS可视化平台系统的实现

3.2.1 WebGIS可视化平台问卷系统

WebGIS可视化平台问卷系统的设计，主要通过构建动态服务器，进行实时的数据采集，为碳排放以及住区空间分析提供数据的来源。WebGIS可视化平台问卷系统为WebGIS可视化平台系统提供实时的采集分析所需的数据。根据设计要求及技术方案完成对系统的开发，为了便于用户操作，对主要功能进行介绍。

第一，居民家庭基本情况。Web系统界面的第一个模块是居民家庭基本情况数据的录入。WebGIS可视化平台版系统所录入的数据保存在与数据搜集与管理工具系统相同的数据库文件中。问卷编号设置为该模块的主键，同时也是外键。模块采用单一式问卷模板形式。通过该模块的数据了解用户家庭基本信息，也是对之后模块数据的一个核对标准。

第二，社区情况。该模块主要描述家庭社区的情况：生活质量、社区环境（特征）等。通过用户对选择住宅时以及现在住宅情况满意度的调查，主观反映用户对住宅各方面因素的需求。

第三，家庭能源消费情况。该模块主要以数字形式直观表现出家庭能源消耗情况：每月用电、用水，以及家中是否使用燃料，若使用，使用的是何种燃料、数量、金额。该模块是构成家居碳排放的重要组成部分之一，构成系统分析的数据来源的依据，客观的了解用户所在社区碳排放影响因素。

第四，家庭生活垃圾分类情况。该模块主要调查家庭所产生的垃圾如何进行分类以及处理。该模块主要通过对居民垃圾产生量进行一个大致的估值。

第五，家庭住宅建筑情况。该模块主要描述家庭住宅建筑的情况，并调查家庭成员对节能的一些措施及方法。通过对居民自家建筑情况，以及对节能情况的意见的搜集，方便对居民居住条件以及低碳节能措施实施可行性的分析。

第六，家庭交通情况。该模块对每个家庭成员交通出行方式、频率、费用等情况进行搜集，该问卷模块要求每个家庭成员都要填写一份，直观反映社区交通碳排放的数值情况，结合ArcGIS的社区空间形态分析，更好地解释社区空间形态与交通碳排放情况的关系。交通碳排放主要来源于机动车使用情况，同时通过对工作地点、学校、购物中心等居民日常行为目的地的距离的调查，提供碳排放所必需的交通碳排放部分的数据。该模块是组成Web系统的重要数据来源之一。

第七，家庭食物消费情况。该模块主要调查家庭成员每日进餐的食物量、次数，以及消费情况如何。采用三日为限期进行调查，由四张表格构成，表1为家庭3日食物消耗量，表2为家庭3日用餐人次数登记表，表3为正餐以外的小吃和饮料消费询问表，表4为每日膳食询问表。4张表将用户家庭每日的具体食物消费情况内容涵盖，系统性地获取数据，构成家居碳排放的重要部分。

3.2.2 POI抓取工具

POI抓取工具作为住区空间形态分析的主要来源，需要借助百度地图工具，批量地下载分析所需要的点位数据，为WebGIS空间分析工具数据提供基础数据来源。基于百度地图的POI批量抓取技术界面，通过下载百度地图的HTML文件，实现该功能需要对该文件进行调用。

研究所需的数据为厦门市区的交通设施情况，通过使用交通设施所在的坐标数据进行WebGIS住区空间形态测度与分析等工作，测试在下载数据类型选择“交通设施”。在数据的下载过程POI工具将创建EXCEL文件所下载的数据内容导入到表格当中，打开保存文件名“厦门市_交通设施.xlsx”文件，所有的数据一共分为五列。如果在百度地图当中并没有相关内容的话会以undefined 形式导入到EXCEL表格当中。如表1所示。

在C#编程的时候，需要编写两部分代码，一部分是生成EXCEL表格文件，并定义其生成的格式形式等；一部分将获取的数据写入EXCEL表格当中。

3.2.3 地理数据管理及Web可视化平台

地理数据管理及Web可视化平台工具主要是通过从问卷系统以及POI抓取工具所获取的点位数据，以数据搜集与管理工具ArcGIS空间形态分析方法为技术基础，直接计算出相关测度指数的结果，该模块是WebGIS可视化平台实现的主要功能，是提供本文论证内容的主要依据。

WebGIS的地理数据管理及Web可视化平台系统的具体界面以较大空间将百度地图HTML文件以图框的形式呈现，当导入POI点的时候可以直接将所采集到的POI点位数据展现在地图当中，直观地表现所获取的POI所在的空间分布状况，方便之后的空间测度的分析。

（1）基础地图显示。基础地图显示定义的区域为厦门市区。基础地图的显示需要先下载百度地图HTML文件，在使用C#编写代码时需要调用该文件将地图在系统界面的控件。

（2）加载POI。点击“加载POI”，通过浏览百度地图POI下载器所获取的EXCEL表格数据，可以实现所需要的点位数据在地图上的显示。本系统分析所需要的数据是通过百度地圖POI下载器所获取的POI数据， Web系统加载POI即加载该EXCEL表格的数据，根据获取的POI数据坐标将点展开于系统界面的基础地图上，直观地呈现所获取点位数据。

（3）加载社区信息。点击加载社区信息，选择浏览添加所需要加载的社区数据，社区数据保存为EXCEL表格形式。导入社区数据之后的软件基础地图界面会显示图标，点击图标，可以查看社区相关信息。如图6所示。

（4）碳排计算。碳排计算主要是转至WebGIS可视化平台问卷调查系统录入界面，通过录入相关的入户调查数据，完善以家居碳排放为主的信息。碳排计算模块的详细内容在3.2.1WebGIS可视化平台问卷系统中已经详细介绍。

（5）空间形态计算。空间形态计算所计算的测度有人口密度、城市紧凑度、建筑密度、距城市原点距离和土地利用混合度，该几项测度在数据搜集与管理工具已经借助ArcGIS进行测试并实现。WebGIS借助ArcGIS空间分析的功能，采用该几项测度指标来分析社区空间形态与碳排放之间的关系，通过POI所获取的地图数据，将已知的数据进行输入，点击计算便可完成该测度的计算。

（6）POI抓取工具。作为获取分析所需要的点位数据，POI抓取工具作为一个功能并入WebGIS可视化平台当中，用户根据POI抓取工具对所需要进行分析的区域内的要素进行选择性的下载，下载完的数据格式以EXCEL表格形式保存，可以直接加载POI功能。

4 结语

本文研究碳排放与住区空间形态测度等相关内容，通过构建相关的分析系统以及入户问卷调查获取相应的数据进行分析总结，为低碳城市规划提供空间分析的基础数据来源，也为厦门市区城市空间规划提供了可靠的技术依据。本系统基本完成碳排放数据采集与分析以及住区空间形态分析等功能，并通过将两个部分内容进行统合分析，直观地表现出碳排放与住区空间形态之间的相关性问题，能够服务于低碳城市构建的数据来源，切实提高决策者对城市规划的效率。本系统尚存在不足：受到技术方面的约束，无法直接从系统中获取空间分析所需要的一些基础数据集。今后还需要根据用户的需求不断修改并完善相关功能，进行持续的优化，逐步形成功能完全、数据获取与数据分析实现一体化。

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