Thiết kế cơ sở dữ liệu theo mô hình anchor modeling cho hệ thống quản lý thảm thực vật

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM

DƢƠNG THỊ MINH ÁNH

THIẾT KẾ CƠ SỞ DỮ LIỆU

THEO MÔ HÌNH ANCHOR MODELING

CHO HỆ THỐNG QUẢN LÝ THẢM THỰC VẬT

Chuyên ngành: Hệ thống thông tin

Mã số: 61.49.01.04

TÓM TẮT

LUẬN VĂN THẠC SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN

Đà Nẵng – Năm 2017

Công trình được hoàn thành tại

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM - ĐHĐN

Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Trần Quốc Vinh

Phản biện 1: PGS.TS. Lê Văn Sơn

Phản biện 2: TS. Trần Thiên Thành

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp

thạc sĩ Hệ thống thông tin họp tại Trường Đại học Sư phạm -

ĐHĐN vào ngày 30 tháng 07 năm 2017.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện Trường Đại học Sư phạm Đà Nẵng, Đại học Đà Nẵng.

- Trung tâm thông tin học liệu, Đại học Đà Nẵng.

1

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

Vấn đề xây dựng cơ sở dữ liệu ứng dụng cho mô hình quản

lý thảm thực vật đóng một vai trò rất quan trọng. Bởi theo quan điểm

sinh thái học, thảm thực vật là tấm gương phản ánh khách quan các

điều kiện tự nhiên, nhân tố môi trường. Đồng thời là thành phần quan

trọng của sinh quyển. Thực vật không những là một nhóm yếu tố tự

nhiên quan trọng của lớp vỏ địa lý mà còn là nguồn tài nguyên có giá

trị, cung cấp nguyên vật liệu đáp ứng nhu cầu sống của con người.

Dựa trên các công trình nghiên cứu về thảm thực vật [1-3].

Các CSDL này đã được tiến hành qua nhiều giai đoạn và diễn biến

theo thời gian, số liệu ngày càng được bổ sung theo thời gian nhưng

chưa có một công trình nghiên cứu tổng thể và thống nhất với các

công trình trước đó nên số liệu về thảm thực vật khác nhau theo các

công bố khác nhau. Các CSDL này phải được tổ chức và sắp xếp lại

sao cho hợp lý hơn.

Các thao tác dữ liệu truyền thống chỉ cho phép truy cập dữ

liệu ở thời điểm hiện tại, không thể truy cập đến các phiên bản dữ

liệu trong quá khứ [4].

Ngày nay, phương pháp mô hình hoá hệ thống Anchor [5]

cho phép mô hình hoá các hệ thống lớn cần lưu lại tính lịch sử của

dữ liệu. Phương pháp này ra đời nhằm giải quyết được các hạn chế

về việc lưu trữ các dữ liệu lịch sử của các phương pháp mô hình hoá

hệ thống khác như UML, ERM, FCO-IM... Bộ công cụ Anchor

2

Modeler tự động sinh CSDL thời gian Anchor cho các hệ quản trị

CSDL quan hệ đảm bảo tính toàn vẹn của CSDL. Ứng dụng của bộ

công cụ này rất lớn khi nó được áp dụng vào các hệ thông thông tin

lớn, nơi dữ liệu lịch sử rất quan trọng, như đa dạng hệ sinh học, ngân

hàng, bảo hiểm, hàng không, chứng khoán….

Trên quan điểm xây dựng một bộ số liệu cập nhật chính xác,

thống nhất làm cơ sở cho việc đánh giá, rà soát tính đa dạng của

thảm thực vật về mặt đa dạng loài, đa dạng giá trị sử dụng, dạng sống

và tình trạng bảo tồn của các loài thực vật nhằm phục vụ công tác

quản lý bảo tồn hệ sinh thái rừng có hiệu quả hơn.

Như vậy, thiết kế CSDL thời gian theo mô hình Anchor

(Anchor Modeling - AM) cho phép truy cập đến dữ liệu toàn cảnh ở

bất kỳ thời điểm nào trong quá khứ, cung cấp cơ chế mở rộng không

hủy, theo đó cho phép khả năng quản trị thay đổi dữ liệu rất mạnh và

mềm dẻo là cần thiết cho hệ thống quản lý thảm thực vật hiện nay là

cấp thiết.

Xuất phát từ những lý do trên được sự đồng ý và hướng dẫn

của TS. Nguyễn Trần Quốc Vinh, tôi chọn đề tài “Thiết kế cơ sở dữ

liệu theo mô hình Anchor Modeling cho hệ thống quản lý thảm

thực vật” để làm luận văn thạc sỹ.

2. Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài

 Mục tiêu

- Nghiên cứu về AM.

- Thiết kế được CSDL thời gian cho hệ thống quản lý thảm

thực vật.

3

- Xây dựng được hệ thống quản lí thảm thực vật minh hoạ.

 Nhiệm vụ

- Tìm và đọc tài liệu về AM.

- Khai thác các công cụ hỗ trợ xây dựng CSDL theo AM.

- Xây dựng CSDL cho hệ thống quản lý thảm thực vật theo AM.

- Xây dựng hệ thống thông tin quản lý thảm thực vật sử dụng

CSDL theo thời gian cho phép tìm kiếm dữ liệu về thảm thực

vật theo bối cảnh thời gian.

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

 Đối tƣợng nghiên cứu

- Mô hình AM.

- Thảm thực vật.

- Hệ thống thông tin quản lý.

- GIS.

 Phạm vi nghiên cứu

- Xây dựng CSDL phục vụ quản lý thảm thực vật, thử nghiệm

cho một số loài trong sách đỏ khu vực Đà Nẵng.

- Sử dụng hệ quản trị CSDL SQL Server để quản lý CSDL

được thiết kế theo AM.

- Dữ liệu GIS được quản lý trên nền geoServer.

- Hệ thống thông tin quản lý thảm thực vật trên nền GIS cho

phép tìm kiếm và hiển thị kết quả theo bối cảnh thời gian.

4. Phƣơng pháp nghiên cứu

Sử dụng hai phương pháp chính là nghiên cứu lý thuyết và

nghiên cứu thực nghiệm.

4

 Phƣơng pháp nghiên cứu tài liệu

- Tìm hiểu về CSDL và hệ quản trị CSDL, AM.

- Nghiên cứu từ các bài báo, phân tích và thiết kế CSDL, các

CSDL liên quan về thảm thực vật, các KBT thiên nhiên…

- Đề xuất các chức năng cho ứng dụng dựa trên các kỹ thuật

đã nghiên cứu.

 Phƣơng pháp thực nghiệm

- Áp dụng mô hình phát triển phần mềm thác nước để xây

dựng hệ thống thông tin quản lý thảm thực vật sử dụng

CSDL theo thời gian cho phép tìm kiếm dữ liệu về thảm thực

vật theo bối cảnh thời gian trên nền GIS.

- Thực nghiệm trên dữ liệu đầu vào là thảm thực vật của các

KBT.

5. Mục đích và ý nghĩa của đề tài

 Mục đích

Nghiên cứu đề xuất giải pháp thiết kế CSDL theo AM vào

quản lý dữ liệu thảm thực vật.

 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Về khoa học: Góp phần phát triển hệ thống thông tin địa lý

về sự đa dạng sinh học ở nước ta.

Từ kết quả nghiên cứu của đề tài tìm hiểu sâu hơn về kỹ

thuật thiết kế CSDL theo chuẩn AM.

Nghiên cứu sâu hơn về thuật toán lưu trữ và quay lại dữ liệu

tại thời điểm nào đó trong quá khứ.

5

Về thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của đề tài thúc đẩy việc áp

dụng công nghệ thông tin vào việc hỗ trợ quản lý đa dạng sinh học,

cũng phần nào đáp ứng được các nhu cầu cần thiết về thông tin trong

công tác bảo vệ môi trường, bảo tồn đa dạng sinh học của nước nhà.

6. Bố cục luận văn

Nội dung của luận văn được trình bày bao gồm các phần

chính như sau:

Chƣơng 1 – TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH ANCHOR

Chương này, luận văn trình bày các cơ sở lí thuyết về dữ liệu

có yếu tố thời gian, dữ liệu tiến hóa, mô hình hóa dữ liệu với AM,

các khái niệm cơ bản và truy cập dữ liệu trong AM.

Chƣơng 2 – ĐA DẠNG THỰC VẬT

Trong chương 2, luận văn trình bày tổng quan về đa dạng

thực vật, các phân tích, thiết kế CSDL thảm thực vật, xây dựng được

các mô hình thực thể, mô hình dữ liệu làm tiền đề giải quyết bài toán

thiết kế CSDL theo AM cho hệ thống quản lí thảm thực vật.

Chƣơng 3 – THIẾT KẾ CƠ SỞ DỮ LIỆU ANCHOR

MODELING CHO HỆ THỐNG QUẢN LÝ THẢM THỰC VẬT

Chương 3, tập trung vào thiết kế CSDL theo AM cho hệ

thống quản lí thảm thực vật, cài đặt và thực nghiệm chương trình.

Cuối cùng là những đánh giá, kết luận và hướng phát triển

của đề tài trong tương lai.

6

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH ANCHOR MODELING

1.1. GIỚI THIỆU

AM kết hợp chuẩn hoá lược đồ quan hệ và tính cạnh tranh

(emulation) để cung cấp kỹ thuật mô hình hoá CSDL linh hoạt

(agile) cho dữ liệu tiến hoá. AM cung cấp hệ thống các nguyên tắc

[21] theo đó, mô hình thu được có thể được triển khai theo mô hình

dữ liệu quan hệ một cách đơn giản. Kết quả trực tiếp là CSDL thời

gian đạt chuẩn 6NF.

1.2. CƠ SỞ DỮ LIỆU THỜI GIAN

1.2.1. Khái niệm cơ sở dữ liệu có yếu tố thời gian

1.2.2. Thời gian thay đổi

1.2.3. Thời gian ghi

1.2.4. Thời gian diễn ra

1.3. CƠ SỞ DỮ LIỆU CHUẨN HÓA Ở MỨC THẤP

1.4. DỮ LIỆU TIẾN HÓA

1.5. MÔ HÌNH HÓA DỮ LIỆU VỚI ANCHOR MODELING

Nhìn chung, AM mang lại đầy đủ các lợi ích 8] của CSDL

đạt dạng chuẩn 6NF:

- Quản lý và xử lý được dữ liệu tiến hoá, đảm bảo tính toàn

vẹn của dữ liệu theo thời điểm bất kỳ.

- Tăng vòng đời của CSDL so với vòng đời trung bình 5 năm.

- Đơn giản hoá các khái niệm mô hình hoá (modeling

concepts), giảm thiểu hoá lỗi mô hình hoá.

- Cho phép phát triển theo mô-đun và tăng trưởng từng bước.

7

- Chuyển đổi sang CSDL vật lý đơn giản.

- Cho phép và hỗ trợ công cụ sinh tự động các kịch bản tạo

CSDL vật lý cũng như các khung nhìn, các hàm cần thiết.

- Đặc biệt, chỉ quét những dữ liệu cần thiết trong quá trình xử

lý truy vấn nhờ mỗi cột được lưu trữ riêng lẻ trong từng bảng.

- Không chấp nhận NULL nên khắc phục được vấn đề dữ liệu

thưa thớt trong CSDL thông thường.

1.6. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MÔ HÌNH HÓA AM

(ANCHOR MODELING)

Các khái niệm nền tảng trong AM bao gồm neo (anchor),

giới hạn (knot), thuộc tính (attribute), thuộc tính hằng (static

attribute), thuộc tính biến thiên (historized attribute), thuộc tính hằng

giới hạn (knotted static attribute), thuộc tính biến thiên giới hạn

(knotted historized attribute). Các loại mối quan hệ (tie) bao gồm

quan hệ hằng (static tie), quan hệ biến thiên (historized tie), quan hệ

hằng giới hạn (knotted static tie), quan hệ biến thiên giới hạn

(knotted historized tie) [7].

Trong AM có các đối tượng sau:

Anchor: Lưu trữ các định danh của các thực thể

Knot: Lưu trữ miền giá trị của dữ liệu

Attributes: Lưu trữ các giá trị của các thuộc tính

Ties: Lưu trữ mối quan hệ giữa các thực thể

8

1.6.1. Tập thực thể (Anchor)

Trong mối tương quan với mô hình thực thể - mối quan hệ rất

phổ biến, có thể hiểu, anchor là tập thực thể. Anchor biểu diễn ID

của thực thể. Giới hạn đại diện cho một tập lực lượng nhỏ các giá trị

cố định theo thời gian, thường là những giá trị dùng chung cho nhiều

thực thể khác nhau.

1.6.2. Giới hạn (Knot)

Một giới hạn được sử dụng để biểu diễn một tập hợp các thực

thể cố định, thường là nhỏ, không thay đổi theo thời gian. Trong khi

các tập thực thể được sử dụng để biểu diễn các thực thể tùy ý, thì các

giới hạnđược sử dụng để quản lý các đặc tính chung trong nhiều thực

thể của một số tập thực thể.

1.6.3. Thuộc tính (Attribute)

Thuộc tính biểu diễn các thuộc tính của tập thực thể, cụ thể là

của anchor. Cần phân biệt bốn loại thuộc tính: thuộc tính hằng (Static

Attribute), thuộc tính biến thiên (Historized Attribute), thuộc tính

hằng giới hạn (Knotted Static Attribute), thuộc tính biến thiên giới

hạn (Knotted Historized Attribute), xem hình 1.2.

Hình 1.2. Kí hiệu tập thực thể

9

Một tập thực thể -Anchor (a) được thể hiện dưới dạng một

hình vuông đặc và một giới hạn -Knot (d) được thể hiện dưới dạng

hình vuông được vẽ đường viền bên ngoài với góc hơi tròn. Một

thuộc tính hằng -Static Attribute (b) và một thuộc tính hằng giới hạn

- Knotted Static Attribute (e) được thể hiện dưới dạng hình tròn được

vẽ đường viền bên ngoài.Một thuộc tính biến thiên -Historized

Attribute (c) và một thuộc tính biến thiên giới hạn -Knotted

Historized Attribute (f) được hiển thị được thể hiện dưới dạng hình

tròn với những đường viền bên ngoài kép.Các thuộc tính giới hạn

liên quan đến một giới hạn.

Định nghĩa 6 (Thuộc tính hằng - Static Attribute). Thuộc tính

hằng là những thuộc tính chấp nhận giá trị không thay đổi theo thời

gian, chẳng hạn ngày sinh của một công dân.

Định nghĩa 7 (Thuộc tính biến thiên – Historized

Attribute).Thuộc tính biến thiên là thuộc tính chấp nhận các giá trị có

thể thay đổi theo thời gian và cần ghi lại sự thay đổi này, chẳng hạn,

đơn vị công tác của một công dân.

Định nghĩa 8 (Thuộc tính hằng giới hạn – Knotted Static

Attribute). Thuộc tính hằng giới hạn biểu diễn mối quan hệ giữa thực

thể và giới hạn, cụ thể thuộc tính chấp nhận một giá trị cố định nào

đó từ tập số lượng nhỏ các giá trị; chẳng hạn, công dân có mã công

dân CMT1( chứng minh thư 1) có giới tính nam.

Định nghĩa 9 (Thuộc tính biến thiên giới hạn – Knotted

Historized Attribute).Thuộc tính biến thiên giới hạn biểu diễn thuộc

tính của một thực thể có thể chấp nhận các giá trị khác nhau từ tập số

10

lượng nhỏ các giá trị; chẳng hạn, công dân có thể được xếp vào các

nhóm tuổi khác nhau theo thời gian.

1.6.4. Mối quan hệ(Tie)

Một mối quan mô tả liên kết giữa hai hoặc nhiều tập thực thể

anchor với nhau và các thực thể giới hạn tùy chọn.

Tương tự như các thuộc tính, các mối quan hệ có bốn biến

thể: quan hệ hằng (Static Tie), quan hệ biến thiên (Historized Tie),

quan hệ hằng giới hạn (Knotted Static Tie), quan hệ biến thiên giới

hạn (Knotted Historized Tie). Xem hình 1.3.

Hình 1.3. Các mối quan hệ

Một quan hệ hằng – Static Tie (a) và một quan hệ hằng giới

hạn – Knotted Static Tie (c) được thể hiện dưới dạng hình thoi đặc.

Một quan hệ biến thiên – Historized Tie (b) và một quan hệ biến

thiên giới hạn – Knotted Historized (d) được thể hiện dưới dạng hình

thoi đặc với một đường viền bên ngoài. Các quan hệ giới hạn liên

quan đến ít nhất một giới hạn. Định danh của các liên kết được đánh

dấu bằng các vòng tròn màu đen.

11

Định nghĩa 12 (Quan hệ hằng–Static Tie).Có thể hiểu mối

quan hệ hằng là mối quan hệ không thay đổi theo thời gian, chẳng hạn,

mối quan hệ cha – con sinh học giữa hai anchor công dân. Nó cũng có

thể là ví dụ cho mối quan hệ hằng giới hạn, mối quan hệ sinh học giữa

hai công dân: cha-con, mẹ-con, ông-cháu, bà-cháu, cô/dì/chú/bác – cháu

và không quan hệ huyết thống.

Định nghĩa 13 (Quan hệ biến thiên – Historized Tie).Mối

quan hệ quan hệ biến thiên là mối liên kết có thể chấp nhận các giá

trị khác nhau theo thời gian từ tập số lượng lớn các giá trị.

Định nghĩa 15 (Quan hệ biến thiên giới hạn – Knotted

Historized). Mối quan hệ biến thiên giới hạn đại diện cho mối liên

kết chấp nhận các giá trị khác nhau theo thời gian từ một tập số

lượng nhỏ các giá trị giữa hai hoặc nhiều thực thể với nhau. Chẳng

hạn, mối quan hệ bạn bè, người yêu, vợ chồng giữa hai công dân với

nhau.

1.6.5. Quy ƣớc đặt tên

Quy ước đặt tên được gợi ý chỉ sử dụng các chữ, số thông

thường và các ký tự gạch dưới. Điều này đảm bảo rằng các tên gọi

giống nhau có thể được sử dụng trong nhiều biểu diễn, chẳng hạn

như trong một CSDL quan hệ, XML hoặc một ngôn ngữ lập trình.

1.7. TRUY CẬP DỮ LIỆU

Sau khi thiết kế mô hình Anchor trên công cụ Anchor

Modeler, người dùng có thể sinh ra các đối tượng dữ liệu liên quan

[18], cụ thể trong trường hợp thử nghiệm là trong SQL Server.

12

Khung nhìn cuối cho phép truy cập đến dữ liệu ở thời điểm

hiện tại theo thời gian thực, thời điểm lớn nhất. Hàm theo thời điểm cho

phép truy cập đến dữ liệu ở thời điểm trong quá khứ được nhập vào là đối

số của hàm, dữ liệu bao gồm các giá trị mới nhất ở thời điểm đó và

thường nhỏ hơn giá trị thời điểm hiện tại theo thời gian thực.

1 create view

lAC_part_PR_in_RAT_got as

13 [RAT].RAT_ID =

[AC_PR_RAT].RAT_ID_got

2 select 14 where

3 [AC_PR_RAT].AC_ID_part, 15 [AC_PR_RAT].AC_part_PR_in_RA

T_got_ValidFrom = (

4 [AC_PR_RAT].PR_ID_in, 16 select

5 [AC_PR_RAT].RAT_ID_got, 17 max(sub.AC_part_PR_in_RAT_got_

ValidFrom)

6 [RAT].RAT_Rating, 18 from

7 [AC_PR_RAT].AC_part_PR_in_R

AT_got_ValidFrom

19 AC_part_PR_in_RAT_got [sub]

8 from 20 where

9 AC_part_PR_in_RAT_got

[AC_PR_RAT]

21 [sub].AC_ID_part =

[AC_PR_RAT].AC_ID_part

10 left join 22 and

11 RAT_Rating [RAT] 23 [sub].PR_ID_in =

[AC_PR_RAT].PR_ID_in

12 on 24 );

Hình 1.5. Khung nhìn cuối