栅格地理数据数字水印模型与算法研究

【摘要】：栅格地理数据是地理空间数据的主要组成部分之一，其在国民经济、国防建设、人类生活中发挥着重要的作用。随着栅格地理数据的“数字化”和“网络化”进程不断加快，栅格地理数据的安全问题也变得日益严峻，数据安全事故层出不穷，诸如数据泄密、版权侵犯、非法使用和分发等现象屡禁不止。而仅仅依靠传统的数据安全技术和当前法律法规，并不能有效遏制诸如此类的数据安全事故。 作为新兴的信息安全前沿技术，数字水印技术在栅格地理数据安全领域发挥着越来越重要的作用。基于此需求驱动，本论文结合栅格地理数据特点、精度特征和应用要求等，运用相关数学工具，对栅格地理数据数字水印技术进行了深入的研究。论文具体的研究成果如下： （1）结合栅格地理数据特点，分析了栅格地理数据数字水印技术的特征，重点剖析了图像水印技术与栅格地理数据水印技术的主要区别，总结了栅格地理数据水印攻击方式，探讨了不同水印攻击方式对栅格地理数据水印算法产生的影响及其对策。 （2）提出了两种二值栅格地理数据水印算法。结合二值栅格地理数据的水印嵌入特征，引入游程长度编码思想，通过修改编码数据的游程长度，提出一种基于游程长度的二值栅格地理数据水印算法；通过分析几何变换过程中分块栅格地理数据的变化特征，提出了抗几何变换的二值栅格地理数据水印算法。较好的解决了当前二值栅格地理数据水印容量低和算法鲁棒性较差等问题。 （3）建立了精度可控的栅格地理数据变换域水印模型。从变换域水印算法的设计角度考虑，结合灰度级/彩色级栅格地理数据的特点，构建了一种精度可控的适应于变换域的栅格地理数据水印嵌入和提取/检测模型，对于栅格地理数据变换域水印算法的设计具有较好的参考和指导意义。然后在所提出模型的指导下，设计并实施了一种基于小波变换的栅格地理数据水印算法。 （4）针对栅格地理数据拼接处理和切割处理过程中的水印特征，设计了相应的水印方案。在所提出模型的指导下，以进一步提高算法鲁棒性和降低最大水印误差为目标，提出了一种抗几何变换的栅格地理数据变换域水印算法；并以此为原型算法，引入四叉树分块递归判断的思想，设计了一种抗拼接处理的栅格地理数据水印检测方法；最后，基于栅格地理数据的精度特征，提出了一种适合于小尺寸栅格地理数据的抗切割处理水印算法。 （5）构建了面向多级分发的栅格地理数据水印模型。在对地理空间数据多级分发的现状及其存在的安全隐患进行深入总结和分析的基础上，构建了一种较理想的面向多级分发的栅格地理数据水印模型，此模型主要对多级分发中的栅格地理数据文件访问权限控制、流向标识、多版权保护、使用跟踪等问题予以考虑和解决。 （6）建立了一种基于字节流的栅格地理数据水印算法。在充分剖析数据加密技术与数字水印技术各自优缺点的基础上，结合栅格地理数据的存储和流通特性，将数据加密思想引入到水印算法的设计中，建立了一种基于字节流的栅格地理数据水印算法。较好地解决了面向多级分发的栅格地理数据水印模型中对数据流向标识、使用权限控制等问题。 （7）设计了三种栅格地理数据多级水印算法。采用量化区间分区的策略，设计了基于量化分区的栅格地理数据多级水印算法；采用水印信息分段的策略，设计了基于水印信息分段的栅格地理数据多级水印算法；采用栅格地理数据分块的策略，设计了基于数据分块的栅格地理数据多级水印算法。所设计的水印算法较好地解决了面向多级分发的栅格地理数据水印模型中对数据多级版权保护、使用跟踪等问题。 （8）基于所研究的水印模型与算法，采用面向对象思想进行设计与开发，同时面向接口编程，实现了栅格地理数据水印原型系统。