Концептуальное проектирование структур данных для автоматизированный систем государственного кадастрового учета земельных участков

Краткое описание

2 ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение... 4

Глава 1. Теория концептуального проектирования структур данных. . . 10

1.1 Основные подходы к проектированию структур данных ... 10

1.2 Основные понятия... 12

1.3 Метод сущность-связь как основной метод проектирования 14

1.4 Нормализация данных... 15

1.5 Аномалии как следствие избыточного дублирования данных 17

1.6 Ключи сущности и отношения... 19

1.7 Исходное отношение... 20

1.8 Выделение сущностей и связей между ними... 22

1.9 Правила формирования отношений... 25

1.10 Специализация, генерализация и категоризация данных .. 29 Выводы по главе 1... 30

Глава 2. Результаты исследования действующих структур данных с

применением методов концептуального проектирования... 32

2.1 Отбор материалов... 32

2.2 Исследование структуры данных «Геополис 98»... 35

2.3 Исследование структуры данных «Формат данных МО» ... 40

2.4 Нормализация отношений моделей данных «Геополис 98» и «Формат данных МО» с применением метода сущность-связь. . 46 Выводы по главе 2... 50

Глава 3. Концептуальное проектирование структур данных для

государственного кадастрового учёта земельных участков... 52

3.1 Первый этап проектирования... 52

3.1.1 Определение круга задач и установление предметной области. ... 52

3.1.2 Формирование исходного отношения... 59

3.2 Второй этап проектирования... 64

3.2.1 Формирование предварительного состава сущностей и

3

определение связей между ними... 64

3.2.2 Выделение сущностей из состава информации, семантический анализ связей, формирование упрощённой концептуальной модели... 69

3.3 Третий этап проектирования... 77

3.3.1 Развитие модели с применением методов специализации, генерализации и категоризации, образование полной концептуальной модели... 77

3.3.2 Оптимизация структуры и формирование сокращённой концептуальной модели, создание набора отношений, анализ и проверка полученной модели, образование логической модели данных... 93

3.4 Применение результатов проектирования при создании автоматизированных систем государственного кадастрового учёта земель... 106

3.5 Внедрение в производство результатов концептуального проектирования структур данных для автоматизированных систем государственного кадастрового учёта земельных

участков... 115

Выводы по главе 3... 120

Заключение... 122

Библиографический список используемой литературы... 125

Приложения... 133

4
Введение

Введение

«Одной из важнейших стратегических целей государственной политики в области создания условий устойчивого экономического развития Российской Федерации является эффективное использование земли и иной недвижимости всех форм собственности для удовлетворения потребностей общества и граждан.

Однако достижению указанной цели мешает ряд нерешенных проблем в области реформирования земельных и имущественных отношений.

Возможность на практике внедрять эффективные экономические механизмы в сфере управления недвижимостью ограничена отсутствием систематизированных и достоверных сведений о земельных участках и иных объектах недвижимости, современных автоматизированных систем и информационных технологий их учета и оценки.

Решение этих проблем даст возможность реализовать конституционные нормы и гарантии права собственности на землю и иную недвижимость, активизировать вовлечение земли и иной недвижимости в гражданский оборот, создать основу для сохранения природных свойств и качеств земель в процессе их использования...»

Так сформулирована основная на сегодняшний день проблема в федеральной целевой программе «Создание автоматизированной? системы ведения государственного земельного кадастра и государственного учёта объектов недвижимости (2002-2007 годы)» [65]. Актуальность проблемы вызвана всё возрастающей потребностью в разработке методов, информационных технологий и программного обеспечения для формирования единого информационно-коммуникационного пространства органов государственного учета земель и объектов недвижимости, технической инвентаризации, регистрации прав на недвижимое имущество и сделки с ним, налогообложения, управления и распоряжения землей и иным недвижимым имуществом [65].

Неотъемлемой частью создания любой автоматизированной системы является процесс её системного проектирования. В соответствии с INCOSE (Международный совет по системным разработкам) системное проектирование

5

представляет собой «междисциплинарный подход и средства, делающие возможным создание успешных систем» [19].

Объектом системного проектирования в настоящей диссертации выступают автоматизированные системы ведения государственного земельного кадастра, которые функционируют на основе хранения, накопления и обработки определённого объема информации, т.е. автоматизированные системы на основе баз данных [76]. В диссертации рассматривается автоматизированные системы, в основе которых лежат базы данных, содержащие сведения государственного кадастра в соответствии с требованиями федерального закона «О государственном земельном кадастре» [49]. Кратко рассмотрим принципы проектирования автоматизированных систем подобного рода, чтобы обосновать в дальнейшем содержание диссертации.

На протяжении последних десятилетий методы доступа и обработки информации развились от начального периода использования файловых систем к различным видам баз данных. Одним из результатов пройденного пути является теория реляционных баз данных, признанная ведущей на настоящее время в области информационных систем [15,41,72,73]. Внеся много нового в методы обработки информации, данная теория полностью изменила и подход к системному проектированию, выдвинув на первое место идею отделения логического проектирования структур данных от физического проектирования таблиц баз данных. В основе данной идеи лежит отделение процесса проектирования от создания таблиц баз данных, где многое зависит от используемой СУБД (Системы Управления Базами Данных), таланта и опыта программиста, технических и материальных возможностей разработчика и ещё многих других факторов.

Различие между физическим и логическим представлением данных было официально признано в 1978 году, когда комитет ANSI/SPARC (комитет по базам данных Американского Национального института стандартов) выпустил отчёт, где была предложена трёхуровневая технология системного проектирования [15,17,22,23,37,72,76].

В данной технологии особое внимание уделяется первому этапу проектирования системы - концептуальному (рис.1). На этом уровне происходит разработка модели предметной области, которая базируется на анализе информационных потребностей будущих пользователей проектируемой системы. В результате получается модель предметной области, выраженная в виде

концептуальной структуры данных.

Трехуровневая архитектура в соответствии со стандартом ANSI/SPARC

Проектирование логической структур!:

Проектирование ! физической структуры

Концептуальная модель

Логическая модель

1

пальздитольскао Преобразование

ДШЧЫЯ

Преобра зонам

База данных

База данных

Концептуальные/ уроивнь

Внешний уровень

Внутренний уровень

Рис. 1

Следующим этапом является выбор СУБД и отображение в её среде спецификации модели предметной области. Это внутренний уровень проектирования, стадия физического проектирования базы данных и других необходимых программных средств на основе концептуальной схемы.

И последним этапом является внешний уровень проектирования, где создаются пользовательские представления данных, которые основываются на концептуальной схеме и формируются в виде пользовательских приложений [22].

Таким образом, в рамках общей проблемы создания автоматизированных систем ведения государственного земельного кадастра и государственного учёта недвижимости как автоматизированных систем на основе баз данных, можно выделить три задачи: концептуальное проектирование структуры данных,

7

физическое проектирование таблиц базы данных и проектирование пользовательских представлений.

В технологии системного проектирования автоматизированных систем концептуальное проектирование структур данных является важнейшей стадией. Активные разработки в данном направлении начались ещё в 70-е годы и не прекращаются по сей день. Одним из результатов научных изысканий в этом направлении является теория реляционных баз данных и, как её составная часть, концептуальное проектирование структур данных [7,22,25,44,57].

Актуальность темы. В настоящее время в России происходит интенсивное создание, и внедрение различных автоматизированных систем (АС ПК ЕГРЗ, «Геополис-98», «ObjectLand», «RosCad», «ЕГРЗ Кадастр-Юг» и т.д), основной задачей которых является государственный кадастровый учёт земельных участков. Поэтому развитие системного подхода к подготовке данных, в частности использование концептуальных методов при создании структур данных для автоматизированных систем государственного кадастрового учёта земельных участков, является актуальной задачей, решение которой и.меет существенное значение для формирования единого информационно-коммуникационного пространства органов управления, распоряжения и государственного учета земель.

Цели и задачи исследования. Целью работы является создание структур данных с применением методов концептуального проектирования для использования в автоматизированных системах государственного кадастрового учёта земельных участков.

Методы исследований. Аналитическая систематизация и обобщение информации по литературным источникам; математическое моделирование; теория множеств в разделе реляционной алгебры и реляционного исчисления; символьная логика в части теории исчисления предикатов; теория нормальных форм и теория концептуального проектирования, как методы реляционного моделирования.

8

Вопросы формирования автоматизированных систем для ведения кадастрового учёта земельных участков и других объектов недвижимости на землях поселений, сельскохозяйственных и других землях с использованием геоинформационных систем нашли отражение в работах российских и зарубежных авторов: Аратского Д.В., Берлянта A.M., Варламова А.А., Гальченко С.А., Гладкого В.И., Грюнрайха Д., Дейта К., Журкина И.С., Кислова B.C., Козлова А.С., Комова Н.В., Кошкарёва А.В., Логиновского СИ., Лебедева П.П., Неумывакина Ю.К., Прорвича В.А., Раклова В.П., Сая СИ., Севастьянова А.В., Туканена Т., Хаксхольда В., Хлыстуна В.Н., Цикритзиса Д. и многих других.

Вместе с тем, проблема формирования автоматизированных систем ведения государственного земельного кадастра и государственного учёта недвижимости требует дальнейшего совершенствования с учётом решения современных задач.

Научная новизна и оригинальность работы заключается в применении методов концептуального проектирования структур данных как системного подхода при проектировании автоматизированных систем государственного кадастрового учёта земельных участков.

Структура диссертации. Всё вышесказанное обусловило выбор направления и актуальность темы исследований - концептуальное проектирование структур данных для автоматизированных систем государственного кадастрового учёта земельных участков. Для решения этой задачи основная часть диссертации построена таким образом:

• В первой главе, названной «Теория концептуального проектирования структур данных», рассмотрены теоретические основы методики концептуального проектирования, определена терминология и установлена последовательность проектирования, сформулированы основные приёмы и законы теории концептуального проектирования.

• Во второй главе «Результаты исследования действующих структур данных с применением методов концептуального проектирования» проведена проверка существующих структур данных с применением методов и приёмов

9

концептуального проектирования и произведён анализ некоторых обнаруженных проблем.

• Третья глава «Концептуальное проектирование структур данных для автоматизированных систем государственного кадастрового учёта земельных участков» посвящена рассмотрению процесса моделирования структур данных с применением методов концептуального проектирования, формированию ряда моделей данных, отражающих задачи государственного кадастрового учёта земельных участков, и созданию на основе полученных моделей автоматизированных земельно-кадастровых систем. В параграфе 3.5 третьей главы «Внедрение в производство результатов концептуального проектирования структур данных для автоматизированных систем государственного кадастрового учёта земельных участков» приведены примеры внедрения в производство автоматизированных систем, созданных на основе моделей данных, описанных в диссертации, и приведены данные, характеризующие эффективность внедрения в производство этих автоматизированных систем.

Практическая значимость работы.

1. На основании проведённых исследований был создан ряд программных продуктов, которые внедрены и используются в производстве при проведении землеустроительных работ на предприятии ЦПИП «ВИСХАГИ-ЦЕНТР» и также при государственном кадастровом учёте земельных участков в республике Саха (Якутия), Московской и Рязанской областях.

2. Полученный в рамках диссертационной работы материал используется при обучении студентов в Новочеркасской Государственной Мелиоративной Академии.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях и межотраслевых конференциях в гг. Мирный, Ленек, Рязань.

Публикации. Результаты исследований, изложенные в диссертационной работе, нашли отражения в опубликованных статьях автора [29-36].

10

Глава 1. Теория концептуального проектирования

структур данных

1.1 Основные подходы к проектированию структур данных

За время своего развития теория проектирования структур данных выработала ряд направлений или так называемых «моделей данных», группирующих в себе определённый ряд принципов и законов, использующихся для проектирования структур данных в рамках соответствующего направления. Сюда можно отнести такие основные модели данных как: иерархическую, сетевую, реляционную и многомерную. Первые две модели в последнее время используются всё меньше и практически потеряли свою значимость в связи с интенсивным развитием реляционной модели данных [22,37,73,76]. Многомерная модель является перспективным направлением, но в связи с недостаточно развитой теорией и на данный момент узкой специализацией (интерактивная статистическая и аналитическая обработка больших объёмов информации, связанной со временем) применяется достаточно редко, о чём подробно говорится в [22,73,76].

Наиболее используемой моделью во всём мире в настоящее время является реляционная модель данных. Благодаря своей простоте, понятности и удобству физической реализации на ЭВМ, реляционная модель лежит в основе многих широко распространенных программных продуктов. Так, например, к СУБД, в основе которых лежат реляционные принципы, относят такие известные как FoxPro, Access, Oracle и др. [37,62,76].

Но и внутри самой реляционной модели существует два подхода к проектированию структур данных. Первый, который иногда называют традиционным, основан на том, что на этапе проектирования создаётся

11

непосредственно реляционная модель данных, состоящая из определений реляционных таблиц для конкретной СУБД. Данный метод не отделяет полностью процесс логического проектирования структуры данных от процесса физического проектирования и программирования, так как проектируется база данных непосредственно под возможности СУБД и существует зависимость от функциональных возможностей выбранной программы, опыта и таланта программиста. Кроме того, разработка напрямую реляционных схем баз данных является сложным и трудоёмким процессом. Это вызвано тем, что реляционная схема не содержит достаточно средств для представления смысла данных. Такой подход интенсивно использовался в самом начале развития реляционных баз данных, а в настоящее время он применяется, когда необходимы автоматизированные системы на основе достаточно простой структуры данных [37,73,76].

Второй подход основан на использовании методов концептуального проектирования структур данных с целью дальнейшего преобразования результатов в реляционную модель. Концептуальное проектирование предоставляет более широкий спектр возможностей для моделирования предметной области, что в свою очередь отражается на качестве реляционной модели, значительно упрощая её создание и уменьшая вероятность ошибок. Такой подход в настоящее время признаётся основным при проектировании автоматизированных систем на основе структур данных высокой и средней сложности [37,73].

Изучив оба подхода, можно считать, что на современном этапе развития методики и практики проектирования структур данных для автоматизированных систем государственного кадастрового учёта земельных участков наиболее приемлемым можно считать использование методов концептуального проектирования в рамках реляционной модели данных.

12

1.2 Основные понятия

В связи с интенсивным научным развитием в области проектирования автоматизированных систем и неоднозначностью перевода с английского языка, у различных авторов используется несколько отличающаяся терминология. Поэтому в данной работе за основу была принята терминология, применяемая в [76].

Основными понятиями при концептуальном проектировании структур данных являются следующие:

• сущность;

• атрибут сущности;

• ключ сущности;

• связь между сущностями;

• степень связи;

• класс принадлежности экземпляров сущности;

• отношение.

Сущность - это реальный или воображаемый объект, информация о котором представляет интерес. При этом имя сущности - это имя типа, а не конкретного объекта - экземпляра этого типа или экземпляра сущности. Каждый экземпляр сущности должен быть отличен от любого другого экземпляра той же сущности.

Атрибут сущности - любая деталь, которая служит для уточнения, идентификации, классификации, числовой характеристики или выражением состояния сущности.

Ключ сущности - атрибут или набор атрибутов, используемых для идентификации экземпляра сущности.

Связь между сущностями - зависимость между атрибутами этих сущностей.

13

Степень связи - отношение количества экземпляров одной сущности к соответствующему количеству экземпляров другой сущности. Основные степени связи выглядят следующим образом:

• 1:1 (одному экземпляру первой сущности может соответствовать только один экземпляр другой сущности);

• 1:М или М:1 (одному экземпляру одной сущности может соответствовать неограниченное количество экземпляров другой-сущности);

• М:М (никаких ограничений по взаимному соответствию экземпляров сущностей).

Класс принадлежности экземпляров сущности — критерий, характеризующий наличие или отсутствие условия обязательного участия всех экземпляров сущности в рассматриваемой связи между сущностями. Классов принадлежности экземпляров сущности могут быть два: обязательный (все экземпляры сущности обязательно участвуют в рассматриваемой связи), необязательный (ряд экземпляров сущности могут и не участвовать в рассматриваемой связи).

Отношение - двумерная таблица, содержащая атрибуты сущностей в роли столбцов таблицы, а данные - в роли строк. Отношения формируются на основе сущностей (одно отношение может отображать одну или несколько сущностей и формируется с учётом степени связи и класса принадлежности сущности), обладают ключами, однозначно определяющими каждый экземпляр данных в отношении. С помощью ключей отношения связываются между собой в реляционную модель данных (модель, представляющая данные в виде таблиц) [78].

14 1.3 Метод сущность-связь как основной метод проектирования.

В 1976 году Петером Пин-Шен Ченом было предложено понятие - ER-модель [78]. На использовании разновидностей ER-моделей основано большинство современных подходов к концептуальному проектированию автоматизированных систем. В основе ER-модели лежит проектирование с использованием графических диаграмм (ER-диаграмм). Опираясь на понятия сущность и связь между сущностями, ER-диаграммы являются наиболее наглядным методом представления концептуальных схем структур данных и лежат в основе метода проектирования сущность-связь [37,41,76].

В основе данного метода, как уже было сказано, лежит создание графического представления сущностей и их связей с указанием ключей сущностей, атрибутов, а также степеней и классов принадлежностей сущностей. Эта методика основывается на формировании набора предварительных отношений, выявления сущностей, представлении их в графическом виде с помощью ER-диаграмм (концептуальное проектирование) и дальнейшее формирования набора отношений с учётом всех необходимых ограничительных условий (формирование реляционной модели данных). Процесс проектирования структуры данным методом можно разделить на следующие этапы:

Этап 1.

1. Установление круга задач и определение предметной области.

2. Формирование исходных отношений. Этап 2.

3. Выделение сущностей и связей между ними.

4. Построение ER-диаграмм с учётом всех сущностей и их связей.

5. Создание упрощённой концептуальной модели. Этап 3.

6. Специализация, генерализация и категоризация объектов.

15

7. Создание полной концептуальной модели данных.

8. Создание сокращённой концептуальной модели.

9. Формирование набора предварительных отношений с использованием ER-диаграмм.

Ю.Проверка модели с помощью правил нормализации.

11.Проверка модели в отношении транзакций пользователей.

12.Создание логической модели данных.

Рассмотрим основные понятия, применяемые при концептуальном проектировании с использованием метода сущность-связь (метод ER-диаграмм).

1.4 Нормализация данных

Являясь одним из базовых понятий в реляционной модели данных, нормальные формы лежат в основе, либо интенсивно используются во всех методиках проектирования структур данных, результатом которых должна стать реляционная модель. В свою очередь в основе теории нормальных форм лежит понятие зависимости между атрибутами отношения.

В затрагиваемой нами области необходимо рассмотреть два вида зависимостей: функциональные и транзитивные. Основываясь на [1,73,76] данные понятия можно выразить как:

¦ Атрибут В функционально зависит от атрибута А в том случае, если каждому значению А соответствует в точности одно значение В. Математически функциональная зависимость обозначается как А-»В.

¦ Атрибут С зависит от атрибута А транзитивно, если существует ещё атрибут В и выполняется условия А-^В и В-^С.

Изложенные выше определения лежат в основе задачи систематизации данных при помощи стандартных принципов [6,76]. Такой процесс называется

16

нормализацией. Само понятие нормальных форм вытекает из задачи нормализации данных (приведение данных к стандартному виду) [73]. В процессе нормализации используется ряд наборов требований, каждое из которых является очередной ступенью к достижению выбранного уровня нормализации. Эти принципы выражены в понятиях нормальных форм, которые подразделяются на первую, вторую, третью нормальную форму и нормальную форму Бойса-Кодда (как частный случай третьей нормальной формы). Данные нормальные формы являются основными, но не единственными, у различных авторов встречаются и другие степени нормализации, однако большинство признаёт, что перечисленные являются основными, а всё остальные служит для решения задач локального характера, о чём подробно см. например [1,6,7,15].

Само понятие нормальных форм относится к любому набору данных, поэтому распространяется, как и на определение сущности (как набора атрибутов, формирующих этот реальный или воображаемый объект), так и на определение отношения (как набора атрибутов, отображающих одну или более сущностей с учётом их степеней связи и классов принадлежности).

Первая нормальная форма (1НФ) - сущность (отношение) находится в 1НФ, если все её атрибуты являются простыми (имеют единственное значение). Под этим мы подразумеваем, что никакое значение атрибута сущности не может быть множеством или группой. Именно в соответствии с требованиями 1НФ формируется исходное отношение, создание которого является первым этапом при использовании метода сущность-связь (см. часть 1.3 диссертации).

Вторая нормальная форма (2НФ) - сущность (отношение) находится во 2НФ, если оно находится в 1НФ и каждый неключевой атрибут (атрибут не являющийся ключом сущности) функционально полно зависит от ключа сущности. Данное правило (2НФ) применяется и имеет значение только в том случае, если ключ сущности является составным, то есть когда для идентификации экземпляра сущности используется набор атрибутов (два или

17

более). В данном случае во 2НФ устраняется зависимость ряда атрибутов сущности от части составного ключа (если конечно ключ сущности составной).

Третья нормальная форма (ЗНФ) - сущность (отношение) находится в ЗНФ, если она находится во 2НФ и каждый неключевой атрибут зависит от ключа сущности не транзитивно.

Ряд авторов утверждает, что в большинстве случаев ЗНФ достаточно при построении структур данных [17,76] но, многие так же обращают внимание, что ЗНФ не учитывает возможность зависимости ключа сущности (или его части) от неключевых атрибутов или зависимости от потенциальных ключей [1,6,15,73,76] (определение потенциальных и первичных ключей см. ниже часть 1.6 диссертации). Поэтому они предлагают использовать усиленный вариант ЗНФ - нормальную форму Бойса-Кодда.

Нормальная форма Бойса-Кодда (НФБК) - сущность (отношение) находится в НФБК, если все атрибуты зависят только от потенциальных или первичных ключей и в нём отсутствует зависимость потенциальных или первичных ключей от неключевых атрибутов или только от части составных потенциальных ключей.

Следовательно, если сущность (отношение) обладает одним первичным ключом, используется ЗНФ, если же присутствуют и первичные и потенциальные ключи, то необходимо применять НФБК.

Как уже было сказано, существуют и другие формы нормализации, но при использовании метода сущность-связь в большинстве случаев достаточно перечисленных [76].

1.5 Аномалии как следствие избыточного дублирования данных

Одной из причин несоответствия структур данных требованиям нормальных форм является наличие избыточного дублирования [76].
Список литературы