1、然后对地理空间数据数字水印技术的特点进行归纳，最后阐述了该技术的研究意义以及研究现状。关键词：数字水印；地理空间数据；安全一、 引言地理空间数据是描述人类赖以生存的地球的重要信息，是国家基础设施建设和地球科学研究的必要基础1。随着近几年研究的深入，地理空间数据被广泛应用。例如，地理空间数据可应用于汽车导航系统、带有GPS定位服务的移动通信设备、基于WEB的数字地图服务，以及采用地理信息系统（GIS）技术用于地理国情监测和灾难应急响应系统等。地理空间数据作为数据的一种，易于访问、获取、传播、复制。尤其是在当今网络化、信息化的时代背景下，违法、侵权行为屡禁不止，使得地理空间数据的安全性问题更加突出
2、。传统的信息安全技术主要是加密技术。该技术目前已经发展得比较成熟，在信息社会的各个领域中得到了广泛的应用。加密技术对内容的保护只局限在加密通信的信道中或其他加密状态下，一旦解密，则毫无保护可言。目前，计算机技术的飞速发展使得密码破译能力越来越强，常规密码的安全性受到了很大的威胁。因此，寻求新的安全技术，用以补足传统加密技术的缺陷显得十分重要。数字水印技术是信息安全领域的前沿技术，并有希望成为这样一种补充技术，应用到对安全性有迫切需求的地理空间数据中。数字水印技术是利用数字作品中普遍存在的冗余数据与随机性把版权信息嵌入在数字作品本身中，因为它在数字产品中嵌入信息不会被常规处理操作去除从而起到保护
3、数字作品版权的一种技术。数字水印技术是通过计算机以一定算法嵌入的，一般不易感知，只能通过计算机提取和检测。在发生版权纠纷时，可以通过相应算法提取出来，从而验证数字产品的版权归属，确保版权所有者的合法利益2。数字水印技术一方面弥补了密码技术的缺陷，可以为解密后的数据提供进一步的保护；另一方面，数字水印技术也弥补了数字签名的缺陷，因为它可以在原始数据中一次性嵌入大量的秘密信息3。数字水印技术是目前信息安全技术领域的一个新方向，是一种可以在开放网络环境下保护版权、认证来源及完整性的新型技术。二、 数字水印技术简介2.1数字水印技术的定义和特征目前虽有许多文献讨论有关数字水印的技术问题，但是数字水印技
4、术始终没有一个明确统一的定义。Cox等4把“水印”定义为“不可感知地在作品中嵌入信息的操作行为”；朱晓冬天5认为“数字水印技术是永久镶嵌在其他数据（宿主）中具有鉴别性行为的数字信号或者模式，而且不影响宿主数据的可用性”。不同的应用对数字水印技术的要求不尽相同，一般认为数字水印技术应具有如下特点6。1.可证明性水印应能为受到版权保护的信息产品的归属提供完全可靠地证据。水印算法能够将所有者的有关信息（如注册的用户信息、产品标识或有意义的文字等）嵌入到被保护的对象中，并在需要的时候将这些信息提取出来。水印可以用来判别对象是否收到保护，并能监视被保护数据的传播、真伪鉴别以及非法拷贝控制等。2.不可感知
5、性不可感知性是指视觉或者听觉上的不可感知性，即指因嵌入水印导致的载体数据的变化对于观察者的视觉或者听觉系统来说应该是不可察觉的，最理想的情况是水印与原始载体在视觉上是一模一样的，这是绝大数水印算法所应达到的要求。3.鲁棒性鲁棒性是指水印应该能够承受大量的物理和几何失真，包括有意的（如恶意攻击）或无意的（如图像压缩、滤波、打印、扫描与复印、噪声污染、尺寸变换等）。显然在经过这些操作后，鲁棒的水印算法应仍能从水印载体中提取出嵌入的水印或者证明水印的存在。一个鲁棒的水印应该做到如果攻击者试图删除水印将会导致水印载体的彻底破坏。4.虚警率虚警率是指未加水印而错误地检测出水印的概率的数学期望值。5.水印
6、容量水印容量是指水印系统可携带的最大有效载荷数据量。6.计算量计算量是指嵌入算法与提取算法的复杂程度与计算成本。2.2数字水印技术基本原理数字水印技术是指在数字化数据中嵌入水印信息，使水印信息与数据融为一体，成为数据不可分离的一部分。其中的水印信息可以是版权标志、用户信息或者是产品相关信息等。当需要的时候可以通过相应的提取算法提取出水印信息，证明数据的版权归属，由此来确定版权拥有者、所有权认证、跟踪侵权行为、认证数字内容来源的真实性、识别购买者、提供关于数字内容的其他附加信息等7。一个完整的数字水印技术系统包括水印嵌入器和检测器两大部分，如图2.1所示。图2. 1 水印系统模型嵌入器至少具有两
7、个输入量，一个是水印信息，另一个是原始载体数据。检测器的输入至少为含有水印信息的载体数据，在非盲检测情况下还需要原始载体。在实际应用中，一个完整的数字水印技术系统包括水印生成、水印嵌入和水印提取与检测三个部分8。1. 水印生成水印信号的产生通常基于为随机数发生器或混沌系统，产生的水印信号W往往需要进一步的变换以适应水印嵌入算法。X代表所要保护的数字产品的集合，G表示利用密钥K和待嵌入水印的X共同生成水印的算法。为了方便分析，我们把G分成算法R和算法T两个部分： 算法R输出原始水印，该原始水印只由密钥K产生。当R基于伪随机数发生器时，密钥K直接映射为伪随机数发生器的种子。当R基于混沌系统时，密钥
8、集由许多初始条件的适当变换而产生。这两种方法所产生的密钥集足够大并满足密钥唯一性条件，而且由R产生的水印是有效的水印。此外，R是不可逆的。算法T对原始水印进行修改以获得最后的依赖于产品的水印W。T应满足：其中，为原始产品；为含水印产品，并且，；M为数据处理操作算法。2. 水印嵌入水印的嵌入过程如图2.2所示。图2. 2 水印嵌入过程水印嵌入就是把水印信号W = （k） 嵌入到原始产品Xo=xo（k）中，一般的水印嵌入规则可描述为：其中为某种叠加操作，也可能包括合适的截断操作或量化操作。称为d维的水印嵌入掩码。最常用的嵌入准则如下：）（加法准则）（乘法准则）3. 水印提取与检测水印的提取与检测可
9、用于任何产品，该过程原始数据可以参与也可以不参与。图2.3、图2.4分别是水印提取过程与水印检测过程。其中虚线部分表示在提取或者判断水印信号时原始数据不是必需的9。图 2. 3水印提取过程图 2. 4水印检测过程三、地理空间数据地理空间数据是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会、人文、经济数据，可以是图形、图像、文字表格和数字等10。它所表达的信息就是空间信息，反映空间实体的位置以及与该实体相关联的各种附加属性的性质、关系、变化趋势和传播特性等的总和。接下来将阐述地理空间数据常见的两种表达模型，即矢量数据模型和栅格数据模型。3.1地理空间数据获取地理空间数据的获取是多种多样的，但大部分的地理
10、空间数据主要来源于八个方面11。1.地图数字化由于以往地理空间信息的主要表达方式或载体是地图，所以数字化地图就成为地理空间数据的主要来源之一，由地图到地理空间数据的转化由两种重要途径，即直接数字化地图和地图扫描后提取。2.实测数据实测数据是指通过野外实地测量获取的数据，如采用测量仪器进行实际勘察测量。3.实验数据实验数据是模拟地理真实世界中地物与过程特征产生的数据，它们表示在特定的条件下的实际情况。例如：农业试验站获取的各种数据，可以近似表达某区域中大气、土壤、植被系统的运作状况。4.遥感与GPS数据遥感与GPS数据是由航空，航天各种设施获取的数据，如卫星影像数据。GPS可以准确获取地物的空间
11、位置，它已逐渐成为其他地理空间数据源的订正和校准手段。5.理论推测与估算数据理论推测与估算数据是在不通过其他方法直接获取数据的情况下，常用有科学依据的理论来推测获取数据。例如，地球演化、地貌演化、沙漠化进程等数据，是依据现代地理特征和过程规律去推测过去的各种数据。另外，对于一些短期内需要，但又不能直接测量获取的数据，如洪水淹没损失、地震影响区、风灾雪灾造成损失面积等常采用有依据的估算方法。6.历史数据历史数据是指历史文献中记录下来的关于地理区域及地理事件的各种数据，这类信息在我国是十分丰富的，它对于建立序列地理空间数据是很宝贵的。经过基于地学知识关联的整理和完善，这些数据信息将成为可用的地理空
12、间数据。7.统计普查数据统计普查数据是由空间位置概念的统计数据通过与空间位置关联或其他处理可以转化为地理空间数据。普查方法获取的数据比统计数据更准确、更全面。8集成数据集成数据主要是指由已有的地理空间数据经过合并、提取、布尔运算、过滤等操作得到的新数据。3.2矢量数据模型矢量数据描述地理要素的空间特点是通过离散的位置坐标来表示的，记录的是对象的几何形状、线条的粗细和色彩等。矢量图与分辨率无关，在任何情况下，对矢量图进行任意缩放，都不会影响它的清晰度和光滑度12。在矢量地理空间数据中，利用欧几里得几何学中的点、线、面及其组合体来表示地理实体的空间分布。例如，空间目标对象的空间特征信息连同属性特征
13、一起存储，根据属性特征的不同，点可用不同的符号来表示，表示那些实体大小的地图上无法用按比例描绘的地理要素，如消防栓、井、测量控制点等。线可用不同的颜色、线型、粗细来描绘，表示那些线状或者网络状的地理要素，如溪流、道路、管线等。多边形则可以充填不同的颜色，表示那些由一个封闭的多边形包围的区域状的地理要素，如水系、地块、房屋建筑、行政边界等13。点及其坐标是矢量数据模型的基本单元。线要素由点构成。线是由两个端点之间一系列标记线形态的点所构成的，可能是平滑曲线或者折线。平滑曲线一般可用数学方程拟合。直线线段可表示人文要素或者曲线的近似值。线要素可以与其他线相交或相连，并形成网络。同样的，面要数也能用
14、矢量数据结构描述,将坐标对连成线段，线段连成弧段，第一条线段的起点坐标与最后一条线段的终点坐标重合，就构成一个面，或者说是多边形。面要素的边界把区域分成了内部区域和外部区域。面要素可以是单独的或连接的14。一个单独的区域有一个特征点既作为边界起始点又作为边界终点。面要素可以在其他面要素内形成岛，也可以彼此重叠并产生重叠区。四、地理空间数字水印技术4.1地理空间数据数字水印技术特征地理空间数据水印技术即是通过嵌入技术将水印信息隐藏到原始数据中，从而形成含有水印信息的载体数据15，基于地理空间数据的定位特征、空间特征、时间特征等，对于嵌入水印的地理空间数据，应该达到以下基本要求。1.不可感知性不可
15、感知性是指水印嵌入后不会引起空间地理数据在各种平台上的可觉察性，不应该影响地理空间数据的视觉效果。2.鲁棒性地理空间数据可能会遇到各种操作，如数据增减、旋转、平移、缩放、变形、投影变换、坐标转换、格式转换等，因此，要求地理空间数据数字水印技术具有较强的抗攻击能力，即鲁棒性。鲁棒性是衡量数字水印技术算法优劣的一个重要标准。3.精度精度是地理空间数据数字水印技术特有的重要特征，水印数据不仅要有不可感知性，还要保证其精度在允许范围内。好的数字水印技术算法应该是水印数据保持好的精度，失去数据精度的水印算法没有意义。4.数据一致性数据一致性即保持嵌入水印的空间数据拓扑和坐标的一致性，保持水印数据总量、数
16、据结构不变化，保持数字水印要素图形化方式不变，水印数据要素平面坐标变化符合制图以及空间分析的要求，以使得数据具有可用性。5.安全性安全性即XX的客户将不能检测出产品中是否有水印存在，水印难以被篡改和伪造，误检测率较低。但对于授权的用户必须能正确地提取出水印，即使算法是公开的，在提取水印的时候也需要密钥。6.不可抵赖性不可抵赖性要求水印数据所携带的水印信息能够被唯一确定地鉴别，不能有歧义。4.2地理空间数据数字水印技术的应用领域作为一个新兴的信息安全前沿技术，数字水印技术已经被应用于不同的领域。数字水印技术在地理空间数据的应用领域主要有以下几个16。1.版权保护利用数字水印技术进行数字产品的版权
17、保护是数字水印技术的重要应用领域之一。为了保护数据产品的版权，可以把版权信息作为水印信息嵌入到数字产品中，当发现可以数据产品流通时，通过水印提取和检测来提取载体数据中的版权信息，以验证数据产品的版权。用于版权保护的水印算法一般为鲁棒水印算法。2.分发跟踪数字水印技术的另一个重要领域是用于数字产品的分发跟踪。在数字产品的分发过程中，每一次分发都把分发者和领取者的单位或者个人作为水印信息嵌入到数据产品中，当发现版权侵权行为时，可以通过水印提取来跟踪数字产品的分发单位，并判定数据产品流失途径。分发和使用跟踪一般使用鲁棒水印，且多数情况下要求该鲁棒水印是一种多重水印。3.内容完整性验证数据水印技术中的
18、脆弱性水印的一个重要应用领域便是数字产品内容的完整性认证。在数据产品传播前，在数据产品中嵌入脆弱性水印；使用该数据产品前，对数据产品中的脆弱性水印进行提取和检测，通过水印提取和检测结果的完整性来验证数据产品内容的完整性。4.内容篡改定位除了用于数字产品的内容完整性认证外，脆弱性水印的另一个用途是数字产品内容篡改提示和定位。随着计算机技术的不断发展，篡改和伪造数字产品内容变得越来越便捷，如何对数字产品内容中的篡改部分进行定位是需要解决的问题。在数字产品中嵌入脆弱性水印，通过脆弱性水印提取和检测来确定内容是否被篡改，并最终定位出被伪造和篡改的数字产品内容。4.3地理空间数据数字水印技术的研究意义地
19、理空间数据数字水印技术的研究能够为地理空间信息安全，特别是版权保护、版权跟踪提供可靠的理论和技术，对国家和军队空间数据的安全、知识产权保护、水印前沿技术的发展、增强在水印领域的国际竞争力等都具有重要的理论意义和应用价值。基于实际需求，数字水印技术应用于地理空间数据，建立水印保护规则、方法以及应用软件，已经成为加强地理空间数据版权保护和信息安全工作的一个重要手段和迫切要求，数字水印技术在地理空间数据具有重要作用。（1）有效保护地理空间数据生产者、拥有着和使用者的合法权益；有效满足密级产品限制用户群体的保密要求；促进GIS矢量数据产品的共享与交换，从而保障GIS、电子导航、数字城市、电子政务等地理
20、信息相关产业的安全和健康发展。（2）地理空间数据产品版权保护关键问题的解决，以及版权保护系统的开发，可有效解决地理信息及其信息系统的安全问题，从而可有效促进国家信息安全建设。（3）可以促进地理信息安全的基础理论和技术方法研究。（4）促进网上地理空间数据产品的发布与更新，提高我国地理空间数据网络化发展。（5）规范测绘行业市场，保障测绘信息相关法规的有效实施。4.4地理空间数据数字水印技术研究现状目前，国内外数字水印技术的研究主要集中在图像、视频和声音等多媒体信息的版权保护上，而在地理信息数据中通过隐藏水印信息对其实现安全保护的研究较少。表4.1列出了不同关键词在“CNKI中国期刊全文数据库”、“
21、万方-中国学位论文全文数据库”、“IEEE”、“PQDD学位论文库”等检索的国内外研究成果。表4.1 国内外数字水印技术研究文献检索结果文献类型数字水印技术/篇地理空间数据数字水印技术矢量数据+数字水印技术/篇遥感图像+数字水印技术/篇栅格地图+数字水印技术/篇DEM+数字水印技术/篇国内（19912012年）期刊文献535538111学位论文16979128国外（19917594832会议文献5896287674121从表4.1可以看出，地理空间数据数字水印技术研究在整个数字水印技术研究中所占比例很小，主要有两方面原因：一方面是因为地理空间数据数字水印技术的研究需要较深的专业知识；另一方面就
22、是地理空间数据的安全保护意识尚未得到人们的足够重视。矢量地理空间数据的数字水印技术，已引起了国内外的广泛重视。国内外许多科研机构和学者都在进行这方面的研究，国际上如日本山梨（Yamanashi）大学和北海道（Hokkaido）大学、美国马里兰（Marland）大学、意大利锡耶纳（Siena）大学和佛罗伦萨（Florence）大学、韩国明知（Myong Ji）大学等；国内如南京师范大学、解放军信息工程大学、武汉大学、哈尔滨工程大学、北京邮电大学、西安电子科技大学等。在空域水印算法方面，张佐理17、李强等18、陈晓光和李岩19都是利用道格拉斯-普克算法来实现抗矢量地理空间数据压缩算法。张佐理对道格
23、拉斯-普克算法进行改进，然后对冗余顶点进行压缩，利用压缩后的顶点数据嵌入水印，具有更好的抗压缩效果。李强等对道格拉斯-普克算法压缩后的数据点根据数据的奇偶性特征嵌入水印信息，取得较好的抗压缩效果同时，实现了水印信息的盲检测。陈晓光和李岩对压缩后的数据由特征点的位置信息以及容差值确定嵌入策略，实现水印信息的盲检测，同时对其他类型的攻击具有一定的鲁棒性。张鸿生等20、阚映红等21和朱俊丰等22都是利用在矢量地理空间数据中插入冗余点，通过在冗余点上嵌入水印信息达到水印嵌入的目的。张鸿生等将一幅矢量图形视为曲线的集合，按设定阀值进行曲线分割；再在容差范围内，使每条曲线对应一个水印位。阚映红通过冗余点在
24、其相邻两个数据节点间的移动来嵌入水印信息，从而保证水印信息的嵌入不会引起矢量地理空间数据中线状和面状地理空间数据的集合变形。朱俊丰等提出一种融合的水印算法，进行两次水印嵌入：一次是改变数据点的值，另一次是冗余数据点作为水印嵌入数据点。五、结束语地理空间数据面临的严峻安全局面,迫切需要可靠的技术手段来解决,数字水印技术作为空间数据安全的前沿技术,对于地理空间数据安全具有不可替代的重要作用。而有效地将数字水印技术应用于地理空间数据,将水印技术实用化,有诸多问题需要不断解决。通过对空间数据特性的深刻理解和认识,以及对水印关键理论和技术的深入研究和解决,并通过水印技术的应用和推广,数字水印技术在现有研
25、究和应用的基础上必将在地理空间数据安全中发挥越来越大的作用。参考文献：1 孙圣和，陆哲明，牛夏牧.2004.数字水印技术及应用.北京：科学出版社.2 钮心忻,杨义先. 信息隐藏与检测算法的特性分析J. 电子学报,2002,07:952-955.3 陈明奇,钮心忻,杨义先. 数字水印的研究进展和应用J. 通信学报,2001,05:71-79.4 Cox I J, Joe K, LeightonF T, et al.1997. Secure spread spectrum watermarking for multimedia. IEEE on Image Processing, 6 （12）:
26、16731687.5 朱晓冬. 数字水印技术的研究D.吉林大学,2004.6 金喜子. 基于DCT域的数字水印算法研究D.吉林大学,2011.7 边杏宾. 数字水印技术及应用研究D.电子科技大学,2009.8 符浩军. 栅格地理数据数字水印模型与算法研究D.解放军信息工程大学,2013.9 魏玲. 基于小波变换的图像数字水印算法研究D.山东师范大学,2008.10 马强. 基于离散小波变换的彩色图像数字水印研究D.西北农林科技大学,2013.11 程兴国. 基于静止图像的数字水印技术研究D.电子科技大学,2005.12 袁雅倩. 基于抗攻击的数字水印印刷防伪技术的研究D.华南理工大学,2014
27、.13 丁璐. 矢量图数字水印技术研究D.北京交通大学,2010.14 Jin-Goo Park,Jeung-Hoon Han,Seung-Hwan Kim,Sang-Ho Lee. The Formation of Water Marks on Both Hydrophilic and Hydrophobic WafersJ. MRS Proceedings,1997,477:.15 Anonymous. The Citizens for Water Foundation; Josh Fox, Joe Levine, Al Appleton, Ramsay Adams, Mark Ruffa
28、lo, Arts for Peace, Catskill Mountainkeeper, Damascus Citizens for Sustainability & NYH20 Announce The Citizens for Water FoundationJ. Ecology, Environment & Conservation,2011,:16 Liu, Xin,Xia, Jianhong （Cecilia,Blenkinsopp, Chris,Arnold, Lesley,Wright, Graeme. High Water Mark Determination Based on
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