25

Размещено на http://www.allbest.ru/

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Технология создания открытой информационной системы комплексного муниципального кадастра

05.13.18 - математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Желудкова Ольга Витальевна

Тюмень ? 2003

Содержание

• Введение
• Глава 1. Проблема формирования единой информационной среды города
• 1.1 «Комплексный городской кадастр» - определения, задачи и функции
• 1.2 Концепция интеграции информационные ресурсов
• 1.3 Анализ информационных технологий кадастровых систем
• Глава 2. Общие принципы моделирования информационных систем
• 2.1 Классификация видов моделирования
• 2.2 Применение системного подхода в моделировании кадастровых систем
• 2.3 Принципы моделирования предметной области
• 2.4 Объектно-ориентированная методология моделирования систем
• Глава 3. Построение модели комплексного муниципального кадастра
• 3.1 Общая характеристика объекта исследования
• 3.2 Построение и анализ математической модели КМК
• 3.3 Проекция результатов моделирования на проблемную область
• 3.4 Построение оптимальной модели КМК
• 3.5 Объектная модель кадастровых систем
• Глава 4. Разработка муниципальных кадастровых систем
• 4.1 Концепция «Кадастровый банк данных»
• 4.2 Формирование автоматизированной информационной системы земельного и имущественного кадастров
• 4.3 Программная реализация объектных схем в информационных системах земельного и имущественного кадастров
• 4.4 Экономическая эффективность внедрения кадастровых информационных систем
• Заключение
• Литература

Введение

информационный моделирование кадастровый автоматизированный

Актуальной проблемой в настоящее время является информационное обеспечение управления городом. Только комплексный учет многих факторов, влияние одних составляющих на другие дает целостное представление об экологической, экономической, политической и социальной жизни города.

Различные службы формируют собственные информационные ресурсы, необходимые для работы конкретного подразделения. Поэтому данные об объектах зачастую дублируются, не всегда актуальны, плохо согласованы между собой и не обладают достоверностью, что приводит к их противоречивости и неполноте данных.

Решение этой проблемы видится в интеграции разрозненных ресурсов в открытую общегородскую информационную систему.

Проектирование информационных систем для градоустройства в нашей стране успешно развивается А. И. Рюмкиным, Ю. Л. Костюком (НПО «Сибгеоинформатика», Томск), В. И. Гладким, В. В. Холодковым (НПК «Бюро кадастра Таганрога»), А. Ф. Сурниным (Обнинский геоинформационный центр), П. П. Андрюшенко и другими исследователями и разработчиками [1, 3, 18-22, 51, 56, 66-68, 78, 83]. Однако в большинстве работ рассматривается технология создания прикладных систем для конкретных предметных областей городского хозяйства, в то время как методология построения интегрируемых муниципальных систем остается еще недостаточно освещенной.

Обозначая проблемы и задачи создания единого информационного пространства города, следует обратить внимание на необходимости тотального и непрерывного учета информации по всем объектам, стратегически важным для жизни и развития города. То есть явно выделяется проблема организации кадастровой (учетной) составляющей муниципального комплекса.

В зарубежной практике термин «кадастр» чаще всего связывают с понятием «недвижимость», «общественная опись, содержащая данные по количеству, стоимости собственности участков земли», или «общественный методически организованный инвентарь всех недвижимых имуществ, основанный на определении границ и графическом представлении на карте, неразрывно связанный с архивом, содержащим данные по состоянию, правам и использованию собственности» [71]. В России в настоящее время наиболее распространена трактовка термина "кадастр" как "упорядоченной информационной системы о правовом, природном, хозяйственном, экономическом и пространственном положении объектов, подлежащих учету в системе соответствующего уровня управления". В наиболее общем виде кадастр можно определить как «методически упорядоченный учет, систематизированный свод данных, включающих качественную и количественную опись объектов или явлений с их экономической оценкой» [19,47,70,57]. Под комплексным муниципальным кадастром (КМК) будем понимать распределенную информационную систему, объединяющую различные кадастры.

Анализируя опыт российских городов [66-68] можно утверждать, что в настоящее время автоматизация муниципальных информационных процессов развивается стихийно и определяется, в основном, не единой концепцией, а имеющимися ресурсами. Такие информационные системы, как правило, представляют собой сложные комплексы, включающие в свой состав продукты и технологии от разных производителей, используют различные форматы представления и хранения данных. Отсутствие единой идеологии и методологии проектирования и создания информационного, математического и программного обеспечения кадастровых систем значительно усложняет процесс интеграции информационных ресурсов.

Цель диссертационной работы состоит в разработке единого подхода к созданию открытых кадастровых систем, построении и исследовании модели информационной системы комплексного муниципального кадастра.

Основные задачи работы:

· исследовать предметную область, систематизировать и классифицировать основные понятия кадастровых систем;

· построить и исследовать модель Комплексного муниципального кадастра, наиболее полно определяющую интегрированную систему качественного учета кадастровых объектов;

· разработать концептуальную объектную модель для построения и интеграции кадастровых систем;

· определить классификационные правила формирования объектов и их взаимодействия на основе объектной и математической моделей;

· показать практическое приложение предложенных технологий.

Методы исследования.

При решении поставленных задач использовались методы системного анализа, методы математического моделирования, теории множеств, объектно-ориентированные методы анализа и проектирования информационных систем.

Научная новизна.

К новым результатам в диссертации можно отнести:

· построение математической модели комплексного городского кадастра, позволяющей анализировать межсистемные связи кадастров, выделять системобразующие факторы в этих системах, формализовать суть кадастровых объектов, определять критерии качества кадастровой информации;

· разработку единой методологии на основе объектного подхода для создания и интеграции кадастровых систем.

Практическая ценность работы.

На основе предложенной оптимальной модели КМК разработана технология организации хранилища интегрированных кадастровых данных для информационной городской среды.

Результаты исследований обобщены и реализованы в проектах многофункциональных автоматизированных системах для ведения соответствующих кадастров в земельном комитете г. Тюмени, тюменском городском и областном департаментах имущественных отношений, что подтверждается актами внедрения. В настоящее время география внедрения созданных программных продуктов расширена до 9 городов севера и юга Тюменской области.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты неоднократно докладывались на научно-технических советах земельного комитета администрации г.Тюмени (1998-2001), департамента имущественных отношений города (1997-1998) и области (2001-2003), на Международной научно-технической конференции (Пермь 2000), на IV учебно-практическом семинаре АСДГ (Томск 2001), на второй окружной конференция (Ханты-Мансийск 2003), а также на семинарах кафедры программного обеспечения Тюменского государственного университета. По материалам диссертации опубликовано 12 работ.

Структура и объем работы.

Текст диссертации состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 129 страниц, в том числе 35 рисунков и 6 таблиц. К тесту прилагается список литературы из 103 наименований

Краткое содержание работы.

В первой главе рассматривается необходимость комплексного подхода к проектированию информационных городских систем, проведен аналитический обзор отечественных и зарубежных методологий и технологий, применяемых в настоящее время для систем кадастрового учета, определены основные понятия исследуемой предметной области и намечены пути решения поставленных задач.

В первом параграфе освещается проблема информационного обеспечения современных российских городов. Отмечаются недостатки, характерные для неинтегрированного информационного пространства, определяются направления и преимущества интеграции информационные ресурсов.

Проведенный анализ показал, что концепции создания единого информационной среды города сформулированы уже во многих городах, таких как: Москва, Обнинск, Новосибирск, Сургут, Томск, Красноярск, Иркутск, Братск, Уфа [1,55,56,64,66-70,83]. Нужно отметить, что, как правило, степень готовности к интеграции обычно прямо пропорциональна количеству реализованных в городе элементов муниципальной информационной системы. Подход предлагается различный: от создания систем на основе единой структуры данных до заведения больших общегородских массивов данных.

Однако, в настоящее время, ни одна предложенная технология «тотального учета объектов городского хозяйства» не реализованы в полном объеме для перечисленных городов. Причин, как правило, несколько:

· практически полное отсутствие нормативно-правовой и регламентирующей документации по созданию, поддержанию и обмену информацией;

· различный уровень информатизации, технического и кадрового обеспечения служб города;

· недостаточная экономическая поддержка проектов и т.д.

В связи с этим немаловажное внимание при разработке интегрированных муниципальных систем следует уделять вопросу адаптируемости предлагаемых технологий к реалиям городской информационной среды.

Во втором параграфе формулируются базовые положения организации комплексного муниципального кадастра на основе принципа открытости информационной системы, выделяются технологические требования, определяются ожидаемые результаты интеграции информационных ресурсов.

В третьем параграфе проводится анализ современных кадастровых систем, определяются основные технологии ведения пространственных и атрибутивных баз данных, отмечаются перспективные методы их информационного взаимодействия.

Таким образом, в первой главе сформулированы основные принципы формирования информационной среды города, формализовано понятие Комплексного муниципального кадастра, исследованы особенности информатизации кадастровых систем, определено дальнейшее направление исследований.

Во второй главе изложены понятия и определения теории моделирования систем, приведена их классификация, определяются оптимальные виды моделирования кадастровых систем на разных уровнях абстракции.

Моделирование можно рассматривать как один из методов, используемых при проектировании и исследовании сложных систем. В основе любого моделирования лежит теория подобия, суть которой состоит в замещении одного объекта другим с целью получения информации о важнейших свойствах объекта-оригинала с помощью объекта-модели [81].

Определяя единое информационное пространство города как объект исследования, мы рассматриваем его как совокупность взаимодействующих и взаимосвязанных кадастровых подсистем.

Разработка модели на базе классического (структурного) подхода означает суммирование отдельных компонентов в единую модель, причем каждый компонент решает свои собственные задачи и изолирован от других частей модели. Для модели комплексного муниципального кадастра такая разобщенность решаемых задач недопустима, так как при данном подходе не учитывается возникновение нового системного эффекта, а это противоречит изначальной идее системной интеграции информационных ресурсов города.

В настоящее время при анализе и синтезе подобных сложных систем получил развитие системный подход, предполагающий последовательный переход от общего к частному, когда в основе рассмотрения лежит определенная цель [8,86,89].

Любой кадастр неотрывно связан с понятием учета, оценки состояния и использования учитываемых объектов, то есть, любая кадастровая деятельность предполагает выделение однородных объектов учета, с использованием количественных и качественных характеристик. Поэтому, для микропроектирования (внутреннего проектирования) кадастровых систем естественным образом подходит методология объектно-ориентированного проектирования, которая определяет способ декомпозиции на классы и объекты, а также использует многообразие приемов представления моделей, отражающих логическую (классы, объекты) и физическую (модули, процессы) структуру системы.

В третьей главе формализуются понятия предметной области комплексного кадастра, строятся и исследуются математическая и объектная модели.

В первом параграфе определяются основные понятия рассматриваемой предметной области: город, объект кадастра, кадастровая информация, кадастровая подсистема, выделяются системообразующие факторы. На основе этих определений формализуется понятие Системы Комплексного муниципального кадастра (КМК).

В силу преобладания в кадастровой системе именно учетных функций, качество этой системы мы будем оценивать по качеству содержащейся в ней информации, которое определяется через совокупность характеристик данных: полноту, достоверность и актуальность.

Во втором параграфе строится математическая модель комплексного кадастра, исследуются ее свойства.

Анализ проблемной области, целей моделирования, а также дискретная природа объекта моделирования показали эффективность применения на высоком уровне абстракции теоретико-множественного аппарата для построения математической модели системы КМК.

Система КМК, определяется как универсальное множество, состоящее из конечного числа элементов. Согласно определениям кадастровой информации и кадастровой подсистемы получаем, что множество состоит из конечного числа подмножеств, т.к. для любого кадастрового объекта существует подсистема, отличная от общей системы, для которой он является единицей кадастрового учета.

Далее определяются допустимые функции на множестве:

· пересечение - есть селекция информации для элемента x из совокупности содержащих его подмножеств. Обозначается как select.

· объединение - суть в возможности «информационного сотрудничества» подмножеств, определенная лишь тогда, когда существуют некоторые общие элементы этих подмножеств. Вводится обозначение для этой операции - join.

Задавая структуру на семействе подмножеств универсального множества из сигнатуры (join,select), получим в наиболее общем виде модель M рассматриваемой предметной области.

Далее объекты системы рассматриваются как совокупность своих свойств: полная характеристика элемента определяется как сумма наборов параметров этого элемента по каждому содержащему его подмножеству.

Вводятся классы учетных функций и функций состояния.

Учетные функции изменяют значения некоторых параметров объекта в кадастровом подмножестве, таким образом, что после проведенных преобразований объект не перестает быть элементом этого подмножества. Используя это свойство выводятся понятия активных и неактивных параметров.

Далее определяется ключевое понятие идеальной модели. Исследуются ее свойства, доказывается, что построенная модель удовлетворяет предъявляемым к системе КМК требованиям качества данных.

Однако анализ результатов исследования показывает невозможность полной реализации этой модели в системе комплексного кадастра в настоящем времени. Приводится ряд правовых, технологических и экономических причин.

В третьем параграфе строится наиболее приближенная к идеальной модель комплексного кадастра.

Вводятся класс функцией синхронизации, определяется величина - период синхронизации. Доказывается, что при стремлении периода синхронизации к нулю данная модель будет удовлетворять критериям качества, накладываемым на систему. Построенная таким образом модель M^O будет называться оптимальной моделью КМК.

Простейшая реализация модели - это добавление сервисов обмена данными в существующие информационные системы посредством репликации или триггеров (реальные эквиваленты функций синхронизации).

Таким образом, построенная идеальная модель наилучшим образом отражает интегрированную систему качественного учета кадастровых объектов городской среды, однако на сегодняшний день возможно проектирование системы только на основе оптимальная модели.

В четвертом параграфе, понижая уровень абстракции модели, определяем основные классы кадастровых объектов, их характерные свойства, поведение и взаимное отношение, общую объектную схему кадастровой системы.

Строится основная иерархия классов, определяются характерные для классов состояние и поведение. Состояние - набор значений атрибутов, поведение - набор методов, оперирующих над состоянием.

Этот этап моделирования определяет общую классификационную схему объектов кадастровой системы, дальнейшая детализация классов должна производится с учетом предметной области (целей кадастра для той или иной системы).

В четвертой главе описана концепция создания «Кадастрового банка данных» на основе оптимальной модели. Показано, что данная концепция позволяет формировать единое информационное пространство с максимальным использованием уже существующих баз данных и имеющихся технических средств в организациях города.

Далее в работе рассматриваются принципы формирования автоматизированных информационных систем земельного и имущественного кадастров. На основе теоретического исследования и практического опыта эксплуатации подобных кадастровых систем можно утверждать, что информационная система является наиболее адаптируемой к изменяющимся требованиям, если она создается как система взаимодействующих между собой самодостаточных информационных объектов, в совокупности моделирующих все реальные объекты учета и существующие связи между ними. При соблюдении общих правил формирования таких информационных объектов локальные кадастровые системы обладают большим интеграционным потенциалом.

В следующем параграфе приведена программная реализация объектных схем в информационных системах имущественного и земельного кадастров.

В заключении главы анализируется экономическая эффективность внедрения автоматизированных кадастровых систем.

Глава 1. Проблема формирования единой информационной среды города

В данной главе рассматривается проблема информационного обеспечения для целей эффективного управления городским хозяйством. Отмечаются недостатки, характерные для неинтегрированного информационного пространства, формулируется концепция объединения информационные ресурсов, обозначаются преимущества такой интеграции. Далее проводится анализ современных кадастровых систем, определяются основные технологии ведения пространственных и атрибутивных баз данных, отмечаются перспективные методы их информационного взаимодействия.

1.1. «Комплексный городской кадастр» - определения, задачи и функции

Современный город представляет собой сложную, динамическую социально-экономическую систему, гармоничное развитие которой невозможно без применения современных управленческих технологий, позволяющих в процессе подготовки и принятия решений учитывать весь спектр локальных особенностей [21].

Новые информационные технологии, позволяющие создавать, хранить, перерабатывать информацию и обеспечивать эффективные способы ее представления потребителю, стали важным фактором жизни общества и средством повышения эффективности управления всеми сферами городского хозяйства.

Комплексный учет многих факторов, влияние одних составляющих на другие дает целостное представление об экологической, экономической, политической и социальной жизни города.

Одной из актуальных проблем является информационное обеспечение управления городом. Различные службы формируют собственные информационные ресурсы, необходимые для работы конкретного подразделения. Данные об объектах зачастую дублируются и не всегда имеют актуальный статус, что приводит к противоречивости и снижению достоверности данных.

Отметим наиболее общие недостатки, характерные для неинтегрированного информационного пространства города [1,56,83]:

1) неактуальность и недостоверность информации вследствие создания баз первичных данных в организациях, не являющихся источником (местом возникновения) информации;

2) дублирование ввода и хранения одних и тех же данных в различных системах (следствием является неоправданное увеличение затрат на сбор, первоначальный ввод и хранение данных);

3) отсутствие комплексной многоаспектной информации для принятия решений межотраслевого, межведомственного, территориального характера;

4) несопоставимость и несогласованность данных, хранящихся в информационных системах отдельных органов управления, не имеющих прямого доступа к первичной информации;

5) несовместимость создаваемых информационных ресурсов вследствие использования различных информационно-лингвистических средств (классификаторов, словарей, форматов описания данных), как правило, независимо разработанных в рамках конкретных автоматизированных информационных систем;

6) невозможность отрегулировать коммерческое использование информации с направлением части доходов на развитие муниципальных информационных систем.

Кроме того, существующий подход порождает жесткую зависимость структуры информационных ресурсов от организационной структуры управления на региональном и территориальном уровнях. Это означает, что изменение организационной структуры управления влечет за собой неизбежные изменения в структуре информационных ресурсов региона, при этом не исключены случаи разрушения отдельных видов ресурсов (отдельных баз данных), их утраты.

Решение проблемы разрозненности и несогласованности данных видится в интеграции ресурсов в открытую общегородскую информационную систему.

Проведя анализ состояния вопроса нужно отметить, что концепции создания единого информационной среды города сформулированы уже во многих городах, таких как: Обнинск, Новосибирск, Сургут, Томск, Красноярск, Иркутск, Братск [1,55,56,64,66-68]. Нужно отметить, что степень готовности к интеграции, как правило, обычно прямо пропорциональна количеству реализованных в городе элементов муниципальной информационной системы. Подход предлагается различный: от создания систем на основе единой структуры данных до заведения больших общегородских массивов данных.

Однако, в настоящее время, ни одна предложенная технология «тотального учета объектов городского хозяйства» не реализованы в полном объеме для перечисленных городов. В чем же причина? В несостоятельности методологий, в неверно выбранной стратегии, или некорректно определенной интеграционной основы? На этот вопрос найдется масса объективных и субъективных причин: практически полное отсутствие нормативно-правовой и регламентирующей документации по созданию, поддержанию и обмену информацией, различный уровень информатизации, техническое и кадрового обеспечения служб города и т.д.

Следует отметить, что во всех источниках [1,55,56,69,71,83] по вопросам создания единой муниципальной информационной системы (МИС) указывается последовательный, поэтапный подход интеграции ресурсов (плановый срок создания МИС варьируется от 2 до 5 лет).

Под муниципальной информационной системой (МИС) понимается информационно-программный комплекс, предназначенный для создания комплексной информационной модели муниципального образования и накопления статистических данных, обеспечивающий функционирование органов управления [83].

Иными словами, МИС - справочно-аналитический система, обеспечивающая сбор, первичную обработку и последующий поиск информации, необходимой для решения задач управления городом.

Таким образом, муниципальная информационная система определяется общими формулировками, применимыми, пожалуй, к любой информационной системе: сбор, хранение и поиск информации - это «обязанности» каждой системы, в основе которой лежит работа с информацией (данными).

Итак, выделим из приведенных выше определений основные аспекты: город, комплексная модель, данные.

В научной литературе город определяется как населенный пункт, характеризующийся, как правило, значительной численностью населения, основную часть которого составляют рабочие, служащие и члены их семей, занятые вне сельскохозяйственного производства. Главная характеристика города - род занятий проживающих в нем людей [21].

Под городом мы понимаем некоторую ограниченную территорию, на которой расположены различные предприятия, жилой фонд и организации соцкультбыта и т.д.

Выделим территориальную составляющую - очевидно, что систематизации и учету в рамках муниципалитета подлежат объекты, субъекты и явления расположенные (проживающие, протекающие) в границах городской черты, то есть интегрирующим (объединяющим) фактором является «земля».

К учетным спискам земельных участков принято применять термин «кадастр». Рассмотрим определения этого термина.

В настоящее время в России наиболее распространена трактовка термина "кадастр" как "упорядоченной информационной системы о правовом, природном, хозяйственном, экономическом и пространственном положении объектов, подлежащих учету в системе соответствующего уровня управления".

В плоскости правовых отношений и экономических отношений понятие кадастра всегда связывается с учетом (регистрацией) и регулированием прав собственности на какие-либо объекты, а также режимами их использования [57].

Существует множество видов кадастров различного назначения - лесной, минерально-сырьевых ресурсов, недвижимости, водных ресурсов, экологический, градостроительный, земельный.

Любой кадастр должен включать следующие структурные части:

· классификация и систематизация объектов кадастра, включая состав необходимых характеристик;

· механизмы определения количественных и качественных характеристик объектов кадастра;

· система получения кадастровой информации по запросам пользователей.

Элемент учета -- это объект. Объект имеет свои характеристики (атрибуты). Объектом может быть здание, сооружение, нежилое помещение, земельный участок, имущественный комплекс, электрические сети, пакет акций и прочее. Объект учета муниципальной городской системы должен содержать координатную (либо адресную) привязку (как элемент городской инфраструктуры).

Наиболее точно содержание информационной среды города определяет понятие кадастровой информации:

Кадастровая информация - это совокупность сведений о правовом, природном, хозяйственном экономическом и пространственном положении объектов [19].

Под комплексным муниципальным кадастром (КМК) будем понимать распределенную информационную систему, объединяющую реестры и кадастры, содержащие сведения о правовом, хозяйственном, экономическом и пространственном положении объектов городской среды.

Такая формулировка снимает неоднозначность в определении информационной системы комплексного муниципального кадастра в разрезе объектов и целей учета.

Поэтому в данной работе термин кадастр будет применяться в наиболее общем смысле.

1.2 Концепция интеграции информационные ресурсов

Единое информационное пространство, в терминологии открытых систем [52], представляют собой совокупность баз и банков данных, технологий их ведения и использования, информационно-телекоммуникационных систем и сетей, функционирующих на основе единых принципов и по общим правилам, обеспечивающим информационное взаимодействие организаций и граждан, а также удовлетворение их информационных потребностей.

Создание и функционирование системы Комплексного муниципального кадастра должно осуществляться в соответствии со следующими основными принципами [1,2,77,83]:

· единство методологических, технологических и организационных требований по построению системы;

· вертикальная и горизонтальная интеграция имеющихся и создаваемых систем баз данных;

· открытость системы, обеспечивающая возможность ее структурного и функционального наращивания, расширения состава пользователей и набора предлагаемых им информационных услуг;

· создание и функционирование первичных информационных ресурсов в организациях, осуществляющих регистрацию соответствующих объектов, и юридическое закрепление за ними обязанностей по ведению и предоставлению информации;

· непрерывность, достоверность, полнота и объективность информации об объектах;

· информационно-лингвистическая совместимость данных, согласование формата данных;

· организация и обеспечение многоуровневой защиты информации;

· максимальное использование готовых программно-технических решений и функционирующих систем, соблюдение международных стандартов в области информационно-вычислительных систем и средств связи.

Интеграция информационных ресурсов должна обеспечить:

· эффективную информационную поддержку решения комплексных целевых задач социально-экономического и экологического развития города;

· полноту, точность, достоверность, актуальность информации, предоставляемой юридическим и физическим лицам, независимо от их территориального размещения;

· реализацию доступа к информационным ресурсам различных сфер деятельности государства и общества;

· совместимость и взаимодействие информационных систем на базе международных и отечественных стандартов, общероссийской системы классификации и кодирования информации, согласованных форматов представления информационных ресурсов;

· применение типовых средств и методов обеспечения безопасности информации в едином информационном пространстве региона, которые обеспечат защиту прав юридических и физических лиц в условиях территориально-распределенного сбора, обработки, хранения и выдачи информации.

К технологическим требованиям относятся:

· однократный ввод данных в систему с последующей передачей их в функционально связанные подсистемы системы КМК;

· минимизация дублирования однотипных данных в подсистемах;

· включение в состав информационных ресурсов только тех данных, для которых существуют надежные источники актуализации;

· своевременная актуализация данных в системе в зависимости от вида хранимой информации;

Далее в работе (главы 2-3) будет исследованы различные подходы к созданию систем интегрированных информационных ресурсов, построены математические модели идеальной и оптимальной системы КМК. При исследовании этих моделей, будет показана адекватность построенных моделей приведенным выше формальным технологическим требованиям.

1.3 Анализ информационных технологий кадастровых систем

Анализируя различные источники [66-68,84] можно утверждать, что в настоящее время автоматизация муниципальных информационных процессов развивается стихийно и определяется, в основном, не концепцией создания общей информационной системы города, а имеющимися ресурсами. Такие информационные системы, как правило, представляют собой сложные комплексы, включающие в свой состав продукты и технологии от разных производителей, строятся на различных технологиях, используют разные форматы представления и хранения данных. Отсутствие единой идеологии и методологии проектирования и создания информационного, математического и программного обеспечения кадастровых систем значительно усложняет процесс интеграции информационных ресурсов.

Особенность кадастровых систем заключается в симбиозе традиционных информационных систем, основанных на СУБД со средствами геоинформационных систем.

В существующих СУБД (системах управления базами данных) для представления данных используется реляционная, сетевая, иерархическая или объектная модель [30, 54].

Тип структуры является наиболее важной характеристикой базы данных. В каждой из приведенных структур данные организуются и управляются различными способами.

Простым, но очень мощным средством представления данных и связей между ними являются иерархическая и сетевая структуры, в которых вершины соответствуют элементам, а дуги - связям между ними. Исторически сетевая и иерархическая структуры данных появились как результат обобщения накопившегося к концу 60-х годов опыта по созданию файловых систем и систем генерации отчетов.

Модель данных иерархическая (HDB - Hierarchical Data Model) - модель данных, в основе которой используется иерархическая древовидная структура данных. Вершинами этой структуры являются записи соответствующего ей типа, называемые также сегментами, состоящие из простых элементов данных различных типов. На самом верхнем уровне иерархии имеется только один узел - корень. При этом родительской записи соответствует произвольное число экземпляров подчиненных записей каждого типа. Ни один элемент не имеет более одного исходного. Принципиальным для представления данных является то, что каждый экземпляр записи приобретает свой смысл только тогда, когда он рассматривается в своем контексте: подчиненный экземпляр записи не может существовать без своего предшественника по иерархии (несимметричность или асимметрия). Асимметрия - основной недостаток иерархического подхода, поскольку она затрудняет работу пользователя.

Достоинство иерархической базы данных в том, что ее навигационная природа обеспечивает очень быстрый доступ при следовании вдоль заранее определенных связей. Однако негибкость модели данных и, в частности, невозможность наличия у сущности нескольких родителей, а также отсутствие прямого доступа к данным делают ее непригодной в условиях частого выполнения запросов, не запланированных заранее.

Длительный опыт использования иерархических систем показал, что они весьма эффективны лишь для достаточно простых задач, но они практически не пригодны для использования в сложных системах с оперативной обработкой транзакций и распределенной архитектурой.

Модель данных сетевая (Network Data Model) - модель данных, допустимые структуры данных в которой могут быть представлены в виде графа общего вида. Вершинами такого графа могут являться данные различных типов - от атомарных элементов данных до записей сложной структуры [85].

Чтобы устранить ограничения, свойственные иерархической модели были созданы две модели, описывающие сети связей между данными: простая и сложная. В простой сетевой базе данных все связи имеют тип «один-к-одному» или «один-ко-многим». Сложная сетевая модель данных аналогична простой, но допускает непосредственную реализацию связей типа «многие-ко-многим».

Сетевая модель более симметрична, чем иерархическая модель. Однако процедуры (обновления) значительно сложнее.

Коммерчески успешных реализаций сложных сетевых СУБД так и не появилось, в основном из-за того, что связи «многие-ко-многим» стали чересчур запутанными и сложными для сопровождения, эта модель представляет лишь теоретический интерес.

Иерархические и сетевые базы данных часто называют базами данных с навигацией. Это название отражает технологию доступа к данным, используемую при написании обрабатывающих программ на языке манипулирования данными. При этом очевидно, что доступ к данным по путям, не предусмотренным при создании базы данных, может потребовать неразумно большого времени.

К достоинствам рассмотренных моделей можно отнести:

развитые средства управления данными во внешней памяти на низком уровне;

возможность построения вручную эффективных прикладных систем;

возможность экономии памяти за счет разделения подобъектов (в сетевых системах).

Недостатки:

сложны в использовании;

фактически необходимы знания о физической организации;

прикладные системы зависят от этой организации;

их логика перегружена деталями организации доступа к базе данных.

Указанные и некоторые другие проблемы, с которыми столкнулись разработчики и пользователи иерархических и сетевых систем делают их непригодными для реализации в современных информационных системах.

Рождение реляционного подхода к базам данных стало, без сомнения, одним из центральных событий периода 70-х гг. Публикация статьи Э- Кодда (Е. Codd) [94,95] стимулировала целый ряд математических исследований, направленных на изучение свойств реляционных баз данных, что привело в конечном счете к созданию теории реляционных баз данных.

Реляционная модель данных (RMD - Relational Data Model) - модель данных, основанная на математическом понятии отношения и представлении отношений в форме таблиц. Операционные возможности модели имеют две эквивалентные формы - реляционная алгебра и реляционное исчисление.

Однако в течение долгого времени реляционный подход рассматривался как удобный формальный аппарат анализа баз данных, не имеющий практических перспектив, так как его реализация требовала слишком больших машинных ресурсов. С появлением персональных ЭВМ реляционные и близкие к ним системы стали активно распространяться, практически не оставив места другим моделям.

Благодаря простоте и естественности используемой в данной модели структуры данных и манипулятивных операций, полной независимости от среды хранения данных, поддержке виртуальных, а не физических связей (на основе значений данных, а не указателей), существованию ее строгого формального определения реляционная модель позволила сформировать развитую математическую теорию основанных на ней баз данных.

Успешному распространению реляционных технологий в значительной мере способствовала результативная деятельность по созданию стандарта реляционного языка данных. Язык SQL (Structure Query Language) представляет собой смесь операторов реляционной алгебры и выражений реляционного исчисления, использующий синтаксис близкий к фразам английского языка и расширенный дополнительными возможностями, отсутствующими в реляционной алгебре и реляционном исчислении.

К числу наибольших достоинств реляционного подхода можно отнести:

наличие простого и в то же время мощного математического аппарата, опирающегося главным образом на теорию множеств и математическую логику и обеспечивающего теоретический базис реляционного подхода к организации баз данных;

возможность ненавигационного манипулирования данными без необходимости знания конкретной физической организации баз данных во внешней памяти.

Недостатки:

ограниченность при использовании в так называемых нетрадиционных областях применения (наиболее распространенными примерами являются системы автоматизации проектирования), в которых требуются предельно сложные структуры данных.

возможности представления знаний о семантической специфике предметной области в реляционных системах очень ограничены.

В тех областях, где необходимо использование не только традиционных для реляционной технологии типов данных, обычно практикуется переход от баз данных, хранящих числа и символы, к объектно-реляционным базам, где каждая запись может содержать данные со сложным поведением. Это поведение может быть инкапсулировано в библиотеках классов, которые поддерживают новые типы. В этой модели система баз данных хранит и выбирает данные и обеспечивает связи между элементами данных, а библиотеки классов обеспечивают поведение этих элементов. Объектно-ориентированное программирование обеспечивает для систем баз данных ряд новых важных свойств [6,30]:

с помощью системы типов можно оперировать с данными в более естественных форматах;

абстрактные типы данных позволяют предотвратить неправильное использование, если доступ к ним разрешен только посредством точно спроектированных функций, которые используют данные правильно;

упрощается модификация и совместное использование программного обеспечения с помощью классов и их иерархий.

В конце 1980-х на рынке появилось более десяти продуктов объектно-ориентированных баз данных от Jasmine до Oracle. Параллельно ведется работа по расширению языка SQL, чтобы включить в него концепции объектно-ориентированного подхода, сохраняя преимущества реляционной модели.

В отчете Lagunita II [103] выделяются в качестве приоритетных следующие задачи:

определение моделей данных для новых типов (например, пространственных, темпоральных - связанных со временем, графических) и их интеграция с традиционными системами баз данных;

масштабирование баз данных по размеру (до петабайт), пространственному размещению (распределенные) и многообразию (неоднородные);

автоматическое обнаружение тенденций данных, их структур и аномалий (добывание данных, анализ данных);

интеграция (комбинирование) данных из нескольких источников;

создание сценариев и управление потоком работ (процессом) и данными в организациях;

автоматизация проектирования и администрирования базами данных.

Одним из наиболее значимых достижений последних лет в области информационных технологий стало, без сомнения, создание открытой глобальной распределенной неоднородной гипермедийной информационной системы, использующей коммуникационную среду Internet. Уже на ранней стадии развития стали предприниматься попытки интегрировать системы баз данных в среду Web.

Решение этой проблемы обеспечивается созданием новой платформы Web базирующейся на принятом в 1998 г. консорциумом W3C, стандарте нового расширяемого языка разметки XML. В конце 2000 г. была принята новая редакция спецификаций этого стандарта [100].

База данных, содержащая совокупность XML-документов, называется базой данных XML (XML Data Base). Язык XML обеспечивает явное описание структуры XML-документов. Кроме того, посредством самого языка XML и других стандартов платформы можно представлять метаданные, описывающие различные свойства XML-документов и в частности, их семантику. Можно также конструировать сложные распределенные структуры из полных документов и их составных частей, описывать способы представления документов, удостоверять подлинность автора документа путем представления электронной подписи и т.д.

Системы, приспособленные к XML (XML Enabled DBMS)- это традиционные СУБД общего назначения, расширенные средствами поддержки представления XML-документов. Среди приспособленных к XML систем - серверы баз данных Oracle 9i (Oracle Corp.), DB2 и Informix(IBM), SQL Server 2000 (Microsoft) и другие [10].

Несмотря на молодость стандарта XML, практически все крупные разработчики на рынке информационных технологий в той или иной степени поддержали этот стандарт.

Отметим наиболее характерные плюсы данной технологии [53]:

· многие обработчики SQL запросов имеют возможность исполнять комбинированные SQL - XML запросы и представлять результаты запроса в виде XML-документов;

· практически все распространенные браузеры Интернет обеспечивают поддержку стандарта XML;

· появились XML-транспорты, способные обеспечить доставку XML сообщений;

· широкое развитие получают технологии управления документооборотом в стандарте XML;

· поддержка XML-сообщения без импортирования их в систему большим классом приложений.

Таким образом, проведенный анализ систем управления базами данных, ориентированных на различные модели данных, позволяет сделать выводы:

1) сетевые и иерархические модели данных практически не используются в кадастровых информационных системах, по причине более поздней информатизации данной области (в это время уже была достаточно развита реляционная модель);

2) основную часть составляют базы данных, основанные на реляционной или «приводимой к реляционной» моделях;

3) в связи с активным распространением XML-документов и широкой поддержкой этого стандарта производителями СУБД и других программных средств возможно использование модели данных XML для унификации обмена семантической информацией в среде городского кадастра.

Пространственная компонента объектов кадастрового учета делает необходимым использование в качестве инструментов реализации городских систем технологические комплексы по обработке графической и координатной информации.

Географическая информационная система (Geographic Information System, GIS, ГИС) - совокупность технических, программных и информационных средств, обеспечивающих ввод, хранение, обработку, математико-картографическое моделирование и образное интегрированное представление пространственных и соотнесённых с ними атрибутивных данных для решения проблем территориального планирования и управления [29,59, 54].

Такие системы базируются на интеграции функциональных возможностей, обеспечиваемых общими технологиями информационных систем, специфическими методами моделирования пространственно-временных данных и управления такими данными, методами анализа и визуализации на основе использования карт, технологиями автоматизациями проектирования, статистического анализа и экспертных систем.

Исследование принципиальных возможностей, пограничных областей знаний и технологий, наработка эмпирического опыта, первые крупные проекты и теоретические работы относятся к периоду конца 50-х начала 70-х годов. Первый крупный успех ГИС - разработка и создание Географической Информационной Системы Канады. Ее назначение состояло в анализе многочисленных данных, накопленных Канадской службой земельного учета, и в получении статистических данных о земле, которые бы использовались при разработке планов землеустройства огромных площадей преимущественно сельскохозяйственного назначения.

Большое воздействие на развитие ГИС оказала Гарвардская лаборатория компьютерной графики и пространственного анализа Массачусетского технологического института. В этой лаборатории были заложены основы картографической алгебры, создано семейство растровых программных средств Map Analysis Package - MAP, PMAP, aMAP. Программное обеспечение лаборатории широко распространялось и помогло создать базу для развития многих ГИС-приложений.

Бурное распространение геоинформационных технологий привело к тому, что сегодня на российском рынке поставкой технологий и программного обеспечения занимается более 100 различных организаций и компаний.

По функциональным возможностям можно выделить несколько классов программного обеспечения [88,91]:

· инструментальные ГИС. Предназначены для самых разнообразных задач: организации ввода информации (как картографической, так и атрибутивной), ее хранения (в том числе и распределенного, поддерживающего сетевую работу), отработки сложных информационных запросов, решения пространственных аналитических задач (коридоры, окружения, сетевые задачи и др.), построения производных карт и схем (оверлейные операции), подготовки к выводу на твердый носитель оригинал-макетов картографической и схематической продукции;

· ГИС-вьюверы. Обеспечивают использование созданными с помощью инструментальных ГИС базами данных. Как правило, предоставляют пользователю крайне ограниченные возможности пополнения баз данных;

· справочные картографические системы. Сочетают в себе хранение и большинство возможных видов визуализации пространственно распределенной информации, содержат механизмы запросов по картографической и атрибутивной информации, но при этом существенно ограничивают возможности пользователя по дополнению встроенных баз данных.

· средства пространственного моделирования. Используются для моделирования пространственных распределений различных параметров (рельефа, зон экологического загрязнения, участков затопления при строительстве плотин и другие).

· средства обработки и дешифрирования данных зондирования. Пакеты обработки изображений, снабженные математическим аппаратом, позволяющим проводить операции со сканированными или записанными в цифровой форме снимками поверхности земли. Это довольно широкий набор операций, начиная со всех видов коррекций (оптической, геометрической) через географическую привязку снимков вплоть до обработки стереопар с выдачей результата в виде актуализированного топоплана.

· векторизаторы растровых картографических изображений. Применяются при обработке отсканированных растровых картографических изображений, снабжаются инструментарием автоматического или полуавтоматического распознавания условных картографических обозначений и способствуют увеличению точности и производительности труда при вводе цифровой основы.

По модели геоданных различают два основных вида - векторные и растровые. В векторных моделях данные о геометрических образах (точках, линиях, полигонах) географических объектов (дороги, реки, территории и т.д.) представляются в форме совокупностей координат точек пространства. Векторные модели широко используются - они имеют компактную структуру, качественную графику, а наличие топологических связей позволяет представлять различного рода отношения между объектами (близость, пересечение, примыкание и другие).

В растровых моделях географические модели представляются в форме упорядоченного множества пространственных ячеек некоторой сетки, апроксимирущего размещенный в ней реальный образ этого объекта. Плюсами модели являются наличие эффективных оверлейных операций, простая структура, возможность работы со сложными структурами.

Наряду с двумерными представлениями пространственных данных применяется также и трехмерное их представление.

Существует также другие классификации ГИС:

· по территориальному охвату (планетарные, общенациональные, региональные, муниципальные);

· по целям (многоцелевые, специализированные, в том числе информационно - справочные, инвентаризационные, для нужд планирования, управления);

· по тематической ориентации (общегеографические, отраслевые, в том числе водных ресурсов, использования земель, лесопользования, туризма, рекреации и другие).

Имеющийся инструментарий ГИС ориентирован на различные аппаратно-программные платформы. В этой области особенно хорошо оснащена платформа персональных компьютеров.

Из наиболее популярных геоинформационных систем следует отметить такие разработки как AutoCAD, PC Arc/Info, GeoDraw/GeoGraph, MapInfo, ГИС-ПАРК, Procart, GeoCad, Инфосо, WS Arc/Info, ArcCAD [23,27].

Актуальными задачами обеспечения интероперабельности между системами обработки геоданных и стандартизации геоинформационных технологий занимается консорциум Open GIS [52]. Он разрабатывает, в частности, спецификации семейства интерфейсов прикладного программирования для доступа к многообразным сервисам, обеспечивающим различные функциональные возможности представления, хранения и обработки геоданных.

Одним из важных проектов, принятых Open GIS является создание на основе языка XML спецификации географического языка разметки (Geography Markup Language, GML) [99]. Свойства геообъекта в данной спецификации включают в себя название, тип и некоторую дополнительную информацию, а геометрическая конфигурация составляется из стандартных строительных блоков - точек, линий и полигонов. Язык GML позволяет кодировать информацию о геообъектах в форме XML-документов, что предполагает возможность интеграции географических и негеографических данных в рамках одной технологии. Такие документы могут использоваться для обмена геоданными между различными приложениями, для хранения данных и доступа к ним, в том числе и в среде глобальной сети, для публикации их на Web-сайтах [31].