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空间数据水印技术的研究与开发

吴柏燕  
【摘要】: 随着计算机技术和互联网技术的快速发展和应用普及,数字产品的分发变得比以往任何时候都要便捷和简单得多。数字产品的版权也因此面临很大威胁。数字水印技术是近十几年来兴起的一门崭新的技术,它通过在数字产品中嵌入可感知或不可感知的信息来确定数字产品的所有权或检验数字内容的原始性。当出现版权纠纷时,通过提取嵌入在数字产品中的版权信息就可确定版权归属。数字水印技术为数字产品的版权保护提供了一个潜在的解决方案。当前多媒体(图像、音频、视频等)数字水印技术的研究取得了丰硕的成果,然而GIS空间数据数字水印技术的研究才刚刚起步,国内外的研究寥寥可数。 本文对GIS空间数据数字水印技术进行了深入有效的探索后,分析了空间矢量数据数字水印技术的特点;分别对2D的线状数据、不同类型的面状数据及DEM数据提出了自己的水印算法,对算法的鲁棒性和安全性进行了分析和测试,并用实例和仿真实验进行了验证;提出了基于权威可信第三方的空间数据数字水印安全协议,对协议进行了分析和模拟实现。具体来说,本文的创新工作主要包括以下几个方面: 1.空间矢量数据水印算法评价 从空间数据的简单对象模型、空间图形属性及图形特征、空间关系等方面分析了空间矢量中对水印算法设计影响较大的相关特点,在此基础上总结了可能用作水印载体的特征集合; 指出空间矢量数据的不确定性为水印信息提供了藏身之所,水印信息嵌入引入的数据变形不能超过数据的不确定度范围,这是空间矢量数据水印嵌入的基本原则;建立数据可用性模型、保真度模型使得对水印版本数据的可用性及保真度进行量化评价成为可能; 针对空间矢量数据的特点及日常操作方式,列出所有可能存在的对空间矢量数据数字水印比较有威胁性的水印攻击方式; 在可用性模型及保真度模型的基础上,建立面向数据应用的空间矢量数据数字水印算法评价模型。 2.线状数据数字水印方法 基于2D的线、面数据的不同图形特征和所表达的不同地理意义,提出不同的水印机制,分别对线、面数据添加水印;提出针对线状数据的LFWA水印算法,定义一种鲁棒的线状地物目标ID,以对地物进行标识,提出一种线状地物形状描述参数,用作线状地物的水印载体,通过调整水印载体的分布样式来表示水印位1或0的嵌入。 3.面状数据数字水印机制 对空间对象的相离关系,引入度量值,以量化描述相离关系的程度;提出基于相离关系的多边形水印算法(PWDR算法),在面状数据图层中提取处于同一图斑内的各对象间的拓扑关系所对应度量值的统计值集合,将所得统计值集合作为水印载体,将水印载体通过HASH函数进行子集划分,调整子集内数据的分布样式,分别在每个子集内嵌入水印信息的一个水印位;测试发现,PWDR算法鲁棒性很强,但运行效率低,水印容量小。为了改进这两个弱点,对PWDR算法进行了简化和改进,提出S_PWDR算法。 S_PWDR算法定义了一种鲁棒的多边形对象标识ID,通过作用于对象标识ID上的HASH函数对多边形对象进行排序,并按顺序均分成相同大小的子集;对子集内的相邻俩对象配对、互为参考,计算相离关系度量值;通过调整子集内相应度量值的分布样式来嵌入1b水印位。 针对像行政区划这样类似的多边形数据,参照线状数据数字水印方法(LFWA算法),提出了基于多边形边界特征点的数字水印算法(PWFP算法);算法把多边形当作简单多折线几何图形,参照LFWA算法,把水印信息隐藏在多边形边界的特征点上。 4.DEM数据数字水印方法 针对DEM数据的特点及所表达的地理意义,提出了基于特征等高线的DEM数字水印方法(DEMWCC算法),从DEM数据中提取地形信息含量最大的特征等高线(Critical Contours),参照LFWA算法,把水印信息嵌入在特征等高线中,然后重新构建DEM,以包含加过水印的特征等高线;水印的提取首先依赖于特征等高线的完整恢复。 5.空间数据数字水印安全协议 在对空间数据数字水印技术领域进行有效探索和研究后,基于设计的水印算法,结合密码学、数字认证、电子商务等安全协议技术,提出基于权威可信第三方的空间数据数字水印安全协议,对协议的安全性进行分析,并建立原型系统对协议进行实现。


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