矢量地理数据数字水印模型与算法研究

【摘要】：矢量地理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。在目前的网络化、数字化时代,矢量地理数据在数据获取、访问、传播、复制等方面更为便捷,矢量地理数据的安全问题特别是数据版权安全问题显得更加突出,如何利用可靠的技术手段来保护矢量地理数据的版权是目前急需解决的重大社会需求。 数字水印技术是近年来发展起来的信息安全前沿技术,是保护矢量地理数据安全的有效手段。本文从矢量地理数据水印技术的特征分析出发,运用小波变换、集合映射、常函数、数理统计等数学理论,对矢量地理数据数字水印模型和算法进行了深入的研究,主要研究成果如下: (1)基于矢量地理数据自身的特征,阐述了矢量地理数据水印技术的特点。分析了水印攻击对矢量地理数据的影响,对矢量地理数据水印攻击进行了分类,探讨了抵抗不同攻击方式的水印算法设计的基本策略。 (2)基于矢量地理数据特点分析,提出三种不同的矢量地理数据非盲水印算法。通过把水印信息嵌入到数据的特征点中提出了一种抗数据压缩的矢量地理数据水印算法;在线状数据中插入冗余点,通过冗余点在线状数据上的移动来嵌入水印信息,提出了一种保持几何形状的矢量地理数据水印算法;基于小波变换,利用分段嵌入思想,提出了一种基于小波变换的矢量地理数据水印算法。 (3)通过矢量地理数据水印嵌入和提取过程中关键技术分析,基于集合映射思想,提出了一种矢量地理数据水印嵌入和提取模型,可用于指导矢量地理数据水印算法的设计与实现;在水印嵌入和提取模型的基础之上,利用无意义水印信息生成技术,提出了一种适合于小数据量数据且能有效抵抗数据增删攻击的矢量地理数据水印算法。 (4)利用量化规则的对称性特点,采用匹配检测方法,提出了一种抵抗数据平移攻击的矢量地理数据空域水印算法,算法能抵抗数据增删和数据平移组成的复合攻击;基于常函数对于某些几何变换具有的不变特性,推证了一个平移、旋转、放缩变换下的常函数,提出了一种能抵抗几何变换矢量地理数据水印算法,算法能有效抵抗数据增删、平移、旋转、放缩以及以上攻击组成的复合攻击。 (5)分析了矢量地理数据水印攻击中拼接攻击的特点,探讨了抗数据拼接攻击的基本对策。通过单点检测结果的可视化显示,提出了一种基于单点检测可视化的交互式水印提取和检测算法;为了实现批量的自动化水印检测,通过网格划分的检测方法,提出了基于网格划分-检测-合并的抗拼接攻击矢量地理数据水印算法。提出的抗拼接攻击水印算法能从各种不同方式的拼接攻击中有效检测到水印信息。 (6)提出了一种矢量地理数据鲁棒水印检测算法,解决了矢量地理数据盲水印检测过程中检测阈值的设定问题,并通过实验验证了检测算法的合理性;提出了一种矢量地理数据自检测水印算法,解决了在没有原始水印信息的情况下,如何有效判断载体数据是否含有水印信息的问题。 (7)分析了水印嵌入对矢量地理数据水印可用性的影响,顾及水印数据的可用性,构建了四种基本的空间约束规则,进而建立了顾及空间约束的矢量地理数据水印嵌入策略。 (8)基于水印模型和算法的研究,设计了三层次水印系统整体框架,实现了矢量地理数据数字水印原型系统,并阐述了系统的主要功能。