DEM数字水印模型与算法研究

【摘要】：DEM数据是国家基础设施建设和地球科学研究的支撑性成果之一,在国家经济、国防建设中占有十分重要的地位。随着数字化和网络化的飞速发展,DEM数据的存储、传输、复制都变得非常方便快捷,其安全和版权问题也日益凸显,侵权、泄密、非法传播与使用等行为屡禁不止,仅依靠目前现行的安全保密措施和法律法规,根本无法有效阻止与打击各种非法行为。 数字水印技术作为一种新兴的信息安全技术,为DEM数据的安全保护提供了一种切实可行的解决途径。数字水印技术是在数据中嵌入秘密水印信息,并使其成为源数据不可分离的一部分,由此来确定版权拥有者、跟踪侵权行为、认证数字内容等,从而为DEM数据的安全使用提供强有力的技术支撑。 本论文结合DEM数据特征、精度和应用要求,对DEM数字水印技术进行了系统研究,主要研究成果如下: (1)建立了一种实用的栅格DEM数字水印模型——基于映射机制的栅格DEM数字水印模型。该模型建立了水印信息序列与栅格DEM高程值之间的映射关系,解决了两者之间的变化不同步问题,可有效增强水印算法的抗裁剪能力和抗高程平移能力;同时,该模型具有水印容差自主控制机制,可根据实际精度需求,自主调节水印容差大小,以满足DEM数据精度要求及水印算法对不同噪声的抵抗能力。 (2)根据所建立的栅格DEM数字水印模型,分别提出了一种抗裁剪的DEM水印算法和一种抗高程平移的DEM水印算法。这两种算法均采用量化思想对DEM高程数据进行水印信息调制,达到了盲检测的目的。同时,运用所建水印模型的特性,实现了水印算法在数据裁剪、高程平移、数据删除、随机噪声等方面的强鲁棒性。 (3)结合DEM地形特征,提出了一种顾及地形特征的栅格DEM水印算法。该算法继承了抗裁剪、抗高程平移水印算法的特性,并通过对DEM地形因子的分析、归类,提炼了其中最为基础的两大地形因子——坡度和坡向,在水印嵌入过程中,充分考虑水印嵌入对坡度坡向的影响,运用DEM误差分析理论,制定顾及坡度坡向因子的水印嵌入策略和方法,最大限度的降低了水印嵌入对DEM地形分析的影响。 (4)建立了一种实用的不规则三角网DEM数字水印模型——基于映射机制的不规则三角网DEM数字水印模型。根据此模型,可分别建立水印信息序列与高程坐标、平面坐标的映射关系,解决水印信息与载体数据的变化不同步问题,有效增强了水印算法的鲁棒性。 (5)根据所建立的不规则三角网DEM水印模型,提出了一种顾及拓扑特征的不规则三角网DEM数字水印算法。该算法选择离散高程点的X坐标集作为水印信息的承载通道,通过平面坐标建立离散高程点与水印信息序列的映射关系,采用量化调制机制将水印信息嵌入到X坐标集中,对高程数据不再进行水印嵌入,保持了DEM数据的高程精度。在水印嵌入过程中,为保证嵌入水印后不规则三角网拓扑关系的正确性,建立了拓扑约束条件。 (6)根据所建立的不规则三角网DEM水印模型,提出了一种基于点重要度的不规则三角网DEM数字水印算法。该算法继承了顾及拓扑特征的DEM水印算法的特性,同时,又建立了点重要度的水印嵌入约束条件,仅对离散高程点中的部分“重要点”进行水印信息的嵌入,以缩减水印嵌入所引起的数据改变比例,达到“以较小误差代价获得较优鲁棒性”的目的。 (7)结合DEM误差分布规律,针对本文提出的模型和算法,运用概率统计理论,对数字水印生成、嵌入过程进行分析,推导了水印嵌入对DEM数据精度的影响公式,从理论上分析了水印嵌入对DEM数据精度的影响。