測繪地理信息成果管理中數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用

周業(yè)多

摘要：測繪地理信息成果管理的難度在于傳統(tǒng)的算法得出的電子數(shù)據(jù)復(fù)制、修改和再次傳輸操作上都較為方便，致使面對外來的攻擊和篡改數(shù)據(jù)操作沒有抵御能力，使得對測繪地理信息數(shù)據(jù)的管理工作難度增加，這對于數(shù)據(jù)管理工作和版權(quán)管理也提出了更大的挑戰(zhàn)。為此，提出了基于LSB的改進型二維矢量圖形數(shù)字水印算法，這種算法不僅具有一定的精準(zhǔn)度還能夠有效抵御數(shù)據(jù)更改和復(fù)制等問題對測繪地理信息成果造成的影響。

關(guān)鍵詞：二維矢量圖形；測繪地理信息成果；數(shù)字水??；LSB算法

引言：在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機技術(shù)等先進科技的推動下，測繪地理信息成果的呈現(xiàn)形式由原來的紙質(zhì)圖轉(zhuǎn)向了電子圖。在方便保存的同時為測繪地理信息成果的管理帶來一定的安全隱患。因為，電子圖較于紙質(zhì)圖更易于修改和復(fù)制，針對這一問題，可以采用數(shù)據(jù)安全中具有顯著控制作用的新技術(shù)，即數(shù)字水印技術(shù)。數(shù)字水印技術(shù)是通過在數(shù)據(jù)文件中隱藏一定意義的版權(quán)信息，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量及安全的管理方式。

1數(shù)字水印技術(shù)概述

數(shù)字水印技術(shù)是信息安全領(lǐng)域中發(fā)展起來的前沿技術(shù)，它將水印信息與載體數(shù)據(jù)緊密結(jié)合并隱藏其中，成為載體數(shù)據(jù)不可分離的一部分，但在需要時，能夠通過一定的技術(shù)方法提取出水印內(nèi)容，由此來認(rèn)證數(shù)字內(nèi)容真實性、確定版權(quán)擁有者、跟蹤侵權(quán)行為，判別對象是否受到保護、監(jiān)視被保護數(shù)據(jù)的傳播、鑒別真?zhèn)魏头欠截?、為解決版權(quán)糾紛提供證據(jù)，從而成為知識產(chǎn)權(quán)保護和數(shù)字多媒體防偽的有效手段。

2數(shù)字水印技術(shù)要求

數(shù)字水印技術(shù)在數(shù)據(jù)安全管理中的應(yīng)用較為普遍，而不斷的數(shù)據(jù)類型對技術(shù)的要求也有所不同，針對測繪地理信息成果的管理，要達到版權(quán)認(rèn)證、盜版追蹤、篡改發(fā)現(xiàn)等的目的，對數(shù)字水印技術(shù)的要求有以下幾點：對精確度的要求，在應(yīng)用數(shù)字水印技術(shù)之前，需要確保其應(yīng)用不會對原有的數(shù)據(jù)造成影響，尤其是不能影響數(shù)據(jù)的精確度；不可感知的能力，測繪地理信息成果的管理中要求水印嵌入后，無法使用肉眼感知，而是通過特定的技術(shù)才能提取和查看：穩(wěn)固性，要求添加的水印具備抵抗篡改信息和復(fù)制信息等攻擊的能力：安全性能，需要具備控制訪問權(quán)限的能力，使未經(jīng)授權(quán)的用戶無法查看水印信息：儲備量，數(shù)字水印技術(shù)算法中的水印信息量要充足，確保能夠滿足地理信息成果的需求；唯一性，水印信息要明確，確定數(shù)據(jù)版權(quán)的唯一擁有權(quán)。此外，水印還應(yīng)做到幾乎不占用額外空間。

3測繪地理信息成果的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)展現(xiàn)

3.1矢量數(shù)據(jù)

矢量數(shù)據(jù)是采用記錄坐標(biāo)的方式實現(xiàn)對點、線和幾何圖形等地理實體的展現(xiàn)。坐標(biāo)空間是對長度和面積的精準(zhǔn)定位。矢量數(shù)據(jù)不是單獨存在的，而是存在于相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件中的一個功能模塊。不同數(shù)據(jù)處理軟件有不同的表現(xiàn)格式，如A utp一CAD中有DWG、DXF，ArcGIS中有SHP、FileGDB和PersonalGDB等格式，為了方便不同格式之間的轉(zhuǎn)換，業(yè)內(nèi)有可以完成格式轉(zhuǎn)換的特殊處理軟件。

3.2柵格數(shù)據(jù)

柵格數(shù)據(jù)是通過一定規(guī)格的網(wǎng)格來表現(xiàn)與地理信息數(shù)據(jù)對應(yīng)的位置，從理論上來講，空間的變化可以通過網(wǎng)格單元數(shù)值的變化來展現(xiàn)。在地理信息數(shù)據(jù)中的很多數(shù)據(jù)都是通過柵格數(shù)據(jù)來展現(xiàn)，例如地面高程模型和遙感影像數(shù)據(jù)等。

4測繪地理信息管理的數(shù)字水印關(guān)鍵理論與技術(shù)

測繪地理信息成果管理中數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用要對數(shù)字水印的自身構(gòu)造、水印信息的嵌入方法及策略、數(shù)字水印的提取和檢測方法進行研究，但是由于水印技術(shù)理論和技術(shù)發(fā)展的尚不成熟，為此，一些關(guān)鍵理論和技術(shù)難點還需要高度重視和深入研究。

4.1水印數(shù)學(xué)模型的建立

數(shù)字水印技術(shù)的基本過程是水印信息的嵌入與提取，而其核心則是水印數(shù)學(xué)模型的建立，數(shù)學(xué)模型的優(yōu)劣直接影響數(shù)字水印技術(shù)是否可用。深入研究和提高數(shù)字水印理論模型，是提升數(shù)字水印技術(shù)及其應(yīng)用的最重要的途徑。

4.2數(shù)據(jù)誤差控制

水印技術(shù)是將水印信息嵌入到數(shù)據(jù)本身上從而對數(shù)據(jù)進行保護的，不可避免地要對數(shù)據(jù)進行修改。如果對數(shù)據(jù)改變量過大，將直接影響到數(shù)據(jù)的精度，而精度是地理空間數(shù)據(jù)數(shù)字水印特有的基本特征。因此水印數(shù)據(jù)不僅要有不可感知性，還要保證其精度在允許范圍內(nèi)，不影響數(shù)據(jù)的進一步使用和分析，這是數(shù)字水印技術(shù)必須優(yōu)先考慮和解決的問題。

5測繪地理信息管理中數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用

5.1矢量數(shù)據(jù)數(shù)字水印嵌入

在分析矢量圖的特點之后選擇空域數(shù)字水印”來輔助測繪地理信息成果的管理工作。通過定比增加頂點的水印信息算法具有較強的抵御能力，但是容量相對較小，無法滿足測繪地理信息的儲量要求，且該算法的工作效率較低。而通過改進后的LSB算法雖然容量可以滿足測繪地理信息成果的基本要求，但是對攻擊的抵御能力不強。為此，我們可以將兩種方式進行結(jié)合，保留二者的優(yōu)勢，去掉不足部分，形成適應(yīng)測繪地理信息成果管理的新型算法。新型算法與原有的算法不同，不是將水印信息直接置換成新頂點的定比，而是先采用數(shù)字水印信息修改已定的比值，之后再使用該比值進行新頂點坐標(biāo)的確定。

提取時可以使用頂點坐標(biāo)序列來計算比值序列，之后利用比值序列對應(yīng)的二進制序列進行水印信息的提取。在嵌入時，水印信息是在比值序列內(nèi)的，這樣在很大程度上保障了其抵御攻擊的能力，此外，采用LSB算法在原始的比值中進行嵌入，使其容量得以保證。優(yōu)化之后的新型算法具備了兩種算法中的優(yōu)勢，使其抵御能力和容量問題都得以有效解決。

5.2柵格數(shù)據(jù)數(shù)字水印嵌入

為了研究柵格數(shù)據(jù)數(shù)字水印嵌入的方式，我們以遙感影像數(shù)據(jù)水印嵌入為列，將圖像的最后一級的4個小波域子圖中的部分像素進行嵌入，嵌入的強度要根據(jù)子圖的內(nèi)容而定（嵌入強度因子根據(jù)內(nèi)容進行自動調(diào)整），主要表現(xiàn)為：嵌入因子會因所含水印圖像的不同，對子圖形成帶來不同的作用，以此判定子圖在水印中的比例，對提取和查看形成限制作用，增強抵御攻擊的能力：水印強度因子通過對肉眼辨識度的分析，將水印圖像縮小，同時對嵌入的局部紋理進行調(diào)整，這樣既可以保證水印信息的不可感知能力，還有利于信息數(shù)據(jù)的安全性：通過分析子圖的分布特征，對不同大小和形狀的紋理塊進行掃描的同時嵌入水印信息，特別是在細(xì)節(jié)子圖中的嵌入，更加具有擾亂視線的效果；在使用高于平均像素的水印信息進行嵌入時，可以通過反色處理來提高水印信息的嵌入強度，且不影響水印信息的不可感知能力。

5.3數(shù)字水印提取

為了驗證成果數(shù)據(jù)的版權(quán)、認(rèn)證數(shù)字內(nèi)容及其他附加信息的真實性，防止數(shù)據(jù)被非法盜用，可采用與嵌入算法相反的算法含有數(shù)字水印信息的加密圖進行提取，并用與嵌入相對應(yīng)的密鑰使用bitget函數(shù)對數(shù)字水印進行數(shù)據(jù)重建，并和嵌入的原始數(shù)字水印進行比對，相同或者相似則可認(rèn)為該數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)，相異則該數(shù)據(jù)被攻擊或者篡改過。

6驗證與分析

為了驗證數(shù)字水印技術(shù)在測繪地理信息成果管理中的應(yīng)用是否真正成功，就必須考察水印圖像在經(jīng)過一些攻擊操作后是否仍能被提取、提取出來的水印能否通過比對分析。為此，我們可以做包括旋轉(zhuǎn)、擴大、縮小、剪切、加入噪音、高通過濾、信號平衡、有損壓縮編碼、亮度對比度平衡、掃描打印等操作進行驗證。

結(jié)果顯示，本文所采用的基于LSB的改進型算法對不同的攻擊操作具有不同的免疫力。當(dāng)含有數(shù)字水印圖像的成果圖形收到旋轉(zhuǎn)、比例放大、剪切、高通過濾機有損壓縮編碼等操作時具有較強的免疫力；而經(jīng)比例縮小、亮度對比度變化、掃描打印等操作后，嵌入到圖形成果中的數(shù)字水印信息收到了很大的損失，同時，原圖的質(zhì)量也發(fā)生了同比或者更大的下降。結(jié)語：本文在分析測繪地理信息電子數(shù)據(jù)特點的基礎(chǔ)上，將質(zhì)量信息以水印形式添加到測繪地理信息電子數(shù)據(jù)中。由于數(shù)字水印技術(shù)含量高，國內(nèi)外對數(shù)字水印技術(shù)的研究尚未形成統(tǒng)一的理論框架。如何提高水印的魯棒性，抵抗攻擊，是所有水印設(shè)計者都關(guān)注的問題。當(dāng)前，還沒有任何算法能抵擋所有的攻擊，特別是幾何攻擊。但可以肯定的是，數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M一步擴大，并向信息安全核心技術(shù)的方向發(fā)展。