信息隐藏保护数字高程模型数据技术进展

赵强 罗永

摘要：本文介绍了利用信息隐藏技术来保护数字高程模型数据的一些方法，包括数字水印技术、纹理隐藏地形数据技术、地形伪装技术等。这些技术为DEM数据的保护提供了新的途径。

关键词：信息隐藏；数字高程模型；信息伪装

0引 言

基于信息隐藏的应用技术能够解决当前信息安全领域中的很多问题，在网络互动信息交流、信息沟通方面的应用前景不可限量。

信息隐藏技术必须考虑正常的信息操作所造成的威胁，即要使机密资料对正常的数据操作技术（如信号变换操作或数据压缩等）具有免疫能力。该技术存在以下特性: 鲁棒性、可检测性、透明性、安全性、恢复性。

如何实现DEM数据的使用控制和安全通讯是一个非常重要的问题。另一方面，三维地形数据庞大，如何提高DEM数据的传输和储存效率也是使用过程中一个亟待解决的问题。

针对这些问题，本文主要介绍地形信息的保护技术，来解决DEM数据的保护和安全通讯问题。介绍了目前几种新的利用信息隐藏和伪装保护DEM数据的技术，包括DEM水印技术、纹理隐藏高程数据技术、DEM伪装技术。

1DEM水印技术

采用小波变换来实现信息的隐藏和提取：将版权标志以数字水印的方式嵌入到DEM数据中，可以保护数据的版权；将数据的重要参数（数据的地理坐标等）隐藏起来，限制非法用户的使用（没有这些参数，数据毫无用处），解决DEM数据的安全问题。

在这项技术中，源数据是数字高程模型（DEM）数据，水印数据是版权标志或者是DEM数据重要的参数信息。嵌入水印的过程需要保证DEM数据描述的地形信息基本不变，也即保持地形形状和地面起伏状态。

选取带参数整数小波来实现DEM数据的水印算法。水印具有很好的不可见性，嵌入水印以后的DEM数据保持了很好的质量，地形的起伏特征没有发生变化，并且水印嵌入DEM数据以后可以准确地提取出来。

2带纹理的三维地形数据信息隐藏算法

如果在地形图的表面加上纹理，那么就可以既刻画地形又能表征地面的特征。纹理数据是一个二维的图像数据，和地形数据一起可以很直观地表示地理信息。该算法的基本思路是将高程数据隐藏在纹理图像中。

首先将DEM高程数据进行压缩；第二步对纹理图像进行小波变换，将压缩以后的DEM数据隐藏到纹理数据的小波变换系数中；最后重构数据，就得到了隐藏信息的纹理图像。

图2是该算法的演示实验。从实验中可以看出来，隐藏了高程数据的纹理图像（图2.c）具有很高的保真度，纹理图像在嵌入信息前后的差别是视觉分辨不出来的。恢复出来的DEM数据保持了地面起伏和地形形状不变。

3两组DEM数据的伪装算法

这种伪装算法是通过对两组真实数据进行随机叠像处理，产生出一个伪装数据，然后将其中一组真实的数据经过压缩以后，隐藏到伪装数据中。该算法要实现信息隐藏、信息伪装、以及高效的DEM数据压缩三方面的功能。

算法流程如图3所示。首先应用叠像技术将两组DEM数据生成一个伪装的数据；然后将其中一组DEM数据经过小波压缩算法进行压缩；再对伪装的DEM数据进行小波变换，将压缩以后的那一组DEM数据隐藏到伪装DEM数据的小波系数中；最后重构伪装数据，就得到了隐藏信息的伪装数据。

从实验中可以看出来，该方法达到了良好的伪装特性，并且两组真实的DEM数据都得到了恢复。恢复出来的DEM数据保持了地面起伏和地形形状不变（如图4）。

该伪装算法伪装效果好，与经典密码学理论结合，安全性高。算法可以完全公开，只要密码和密钥不丢失，就能保证伪装数据的安全。一组伪装数据可以一次传输两组真实数据，传输效率高。相对于分形伪装算法而言，消除伪装需要保留的参数信息少，运算效率也有了大幅度的提高。

4基于模糊关系的DEM数据信息伪装算法

结合模糊理论中模糊关系的思想和信息伪装技术来保护DEM数据，可实现对DEM数据的伪装。合法用户在不需要任何原始DEM信息的条件下，可以从伪装数据中恢复出真实的DEM数据；非法的用户只能够获得一个伪装过的，且没有实际用处的高程数据。

首先利用二维波动方程随机产生一个DEM地形数据，这个地形数据在已知密码和参量的情况下是可以再现的，以便恢复真实的地形数据。然后构造随机DEM数据和真实DEM数据之间的模糊关系矩阵，通过模糊关系矩阵生成伪装DEM数据。一个模糊矩阵对应一种伪装方式，这个模糊矩阵也可以通过密码再现。

从实验中可以看出来，该方法达到了良好的伪装效果，并且真实的DEM数据能得到恢复。恢复出来的DEM数据保持了地面起伏和地形形状不变。

这种伪装算法是非常安全的，如果要获得真实的数据就必须知道伪装信息过程中使用到的随机产生的DEM数据和模糊矩阵。由于它们都是通过Hash函数控制生成，在生成方法公开的前提下，没有密码K和ID，这个序列是不能够准确再现的。

5结 语

我国已经完成了三维地形数据库的建设工作，如何实现高效安全通讯和保护是下一步需要解决的关键问题。由于三维数据量庞大，对安全的要求性高，传统的信息保护与通讯手段效率都很低。利用信息隐藏的方法来对三维地形数据进行保护，提高了数据的安全性和通讯效率。