抗拼接处理的地理空间数据水印检测方法

符浩军，范承啸，朱长青，王 刚

（1.西安测绘总站，陕西 西安 710054；2.南京师范大学 虚拟地理环境教育部重点实验室，江苏 南京 210046）

抗拼接处理的地理空间数据水印检测方法

符浩军1，范承啸1，朱长青2，王 刚1

（1.西安测绘总站，陕西 西安 710054；2.南京师范大学 虚拟地理环境教育部重点实验室，江苏 南京 210046）

对抗拼接处理的地理空间数据水印检测方法进行了研究。首先针对已有水印算法的不足，分析了地理空间数据拼接处理的特征及其对水印算法产生的影响，在此基础上，以现有研究成果为原型，引入四叉树分块递归判断的思想，设计了一种基于四叉树的地理空间数据水印检测方法，以解决数据拼接处理所引发的水印新问题。实验结果证明，该方法不仅能判断出拼接数据中含有怎样的水印信息，同时能对特定水印信息所对应的数据区域进行较精确的定位。

地理空间数据；水印检测；数据拼接；四叉树；区域定位

计算机技术、网络通信技术和WebGIS的迅猛发展极大地促进了地理空间数据的数字化和网络化进程，使得地理空间数据在存储、访问、流通、复制、应用等方面变得更为便捷，同时也导致地理空间数据的版权侵犯现象日益严峻。作为新兴的信息安全前沿技术，数字水印为解决此问题提供了切实可行的途径[1,2]。

近年来，针对地理空间数据版权保护的数字水印技术已有较多的研究[3-13]，这些成果在考虑水印算法鲁棒性时，主要是针对常规图像处理和几何变换处理等水印攻击进行设计的，并没有考虑到地理空间数据处理的特殊性。由于地理空间数据具有分幅存储、拼接使用的特点，如何有效判断出拼接生成的新地理数据中水印信息的详细情况，是设计地理空间数据水印算法时不可回避的重要问题。本文针对此问题，结合地理空间数据的拼接使用特点，引入四叉树分块递归判断思想，设计一种基于四叉树分块递归判断的地理空间数据水印检测方法。

1 数据拼接处理的水印特征分析

地理空间数据的拼接处理通常是将多幅邻接的地理空间数据通过某些制图工具按照一定的空间规则组织起来，合成一幅新的地理空间数据。在这个过程中，将导致以下问题的出现：

1）在多幅参与拼接处理的地理空间数据中，可能只有一幅或几幅数据含有相同的水印信息，而其他数据不包含水印信息。在这种情况下，水印检测算法会对所有参与拼接处理的地理空间数据进行水印检测，对于原来不包含水印的数据，其所提取的水印信息本身是不存在的，这样将会对有效提取的水印信息造成影响，最终可能导致水印误检的发生。

2）在多幅参与拼接处理的地理空间数据中，可能有多幅数据含有水印信息，并且它们所包含的水印信息并不唯一，如果直接应用水印检测算法来进行水印检测，会导致在拼接后新生成的数据中水印信息的检测相互影响或者水印检测不完整，从而造成水印检测失败或漏检现象的出现。

通过分析上述情况下的数据拼接处理对水印算法产生的影响，可以将问题简化为：在拼接处理后生成的新地理空间数据内搜索并判断其中某一个或某几个拼接处理前的地理空间数据是否含有水印信息，含有多少水印信息，含有怎样的水印信息，并定位出相应水印信息在拼接数据内所覆盖的地图区域。由于地理空间数据拼接处理并不会对其中的数据取值造成任何影响，水印信息在拼接处理过程中得到了完整的保留，一般的水印算法并不需要额外考虑数据是否作拼接处理。因此可以基于现有的研究成果为原型，思考如何制定有效的水印信息检测及定位策略，使得水印检测算法能从拼接数据中的某个或某几个数据子块中定位并检测到正确的水印信息。

2 基于四叉树分块递归判断的水印检测方法

地理空间数据具有分幅存储的特征，分幅的地理空间数据所覆盖的制图区域一般为规则矩形，因此可以将其看作为一个数据矩阵，从这个角度去思考抗数据拼接处理的水印检测方法，可以简要地概括为：对数据矩阵不断分块细化，并对每一子块进行判断，直至成功或无法再细化分块为止。基于此原则，引入四叉树分块递归的方法来制定抗拼接处理的地理空间数据水印检测方法。基于四叉树分块递归判断的水印检测方法具体流程如下：

1）获取地理空间数据尺寸M×N，从地理空间数据左上角开始，按照M/4×N/4大小将其均分为4等份，对多余的数据作合并处理。

2）对每一个分块地理空间数据进行水印信息的提取与检测，如果在分块数据中检测不到水印信息，则转到步骤3）；如果在分块数据中检测到水印信息，但检测的水印信息与原始水印信息不完全吻合，则转到步骤4）；如果在分块数据中检测到了水印信息，且检测到的水印信息与原始水印信息完全吻合，则转到步骤5）。

3）获取当前分块地理空间数据尺寸，如果分块数据尺寸小于某个临界值，则转到步骤6）；否则，对当前分块地理空间数据继续采用四叉树分块处理，转到步骤2）。

4）记录当前检测到的水印信息，同时记录分块数据在原始数据中的位置，然后转到步骤3）。

5）记录当前检测到的水印信息，同时记录分块数据在原始数据中的位置，水印检测结束。

6）分块数据尺寸不符合继续分块要求，可判断为无水印信息，水印检测结束。

对于相邻的分块数据如果其检测到的水印信息相同，则合并相邻分块数据形成新的分块数据，记录新的分块数据位置，重新计算水印相关系数，并检测其水印信息。

在四叉树分块递归的判断步骤2）中，如果在分块数据中检测到了水印信息，且与原始水印完全吻合，则说明分块数据中有且只有原始水印，无需继续分块检测；如果在分块数据中检测到水印信息，但与原始水印不完全吻合，则说明分块数据中可能存在不含有水印的数据块或者含有其他水印的数据块，使得检测到的水印信息含有噪声，因此还需要继续分块判定；如果在分块数据中检测不到水印信息，则分块数据有可能无水印信息，也可能含有多个水印信息相互影响而导致水印检测失败，因此还需要继续分块判定。步骤3）中临界值的选定由地理空间数据本身尺寸特性和水印算法适用性决定。

3 实验与分析

为了验证所提出的水印检测方法对抗数据拼接处理的性能，进行了相关的实验与分析。实验中所采用的测试数据为图1所示的4幅相互邻接的遥感影像数据，用这4幅遥感影像来模拟实现栅格地理数据水印技术中的数据拼接攻击，水印嵌入算法采用文献[9]所提出的抗几何变换的栅格地理数据变换域水印嵌入算法，而后对数据拼接处理后的遥感影像分别用文献[9]所提出的水印检测算法（下文简称算法1）和本文所提出的基于四叉树分块递归判断的水印检测方法（下文简称算法2）进行水印信息检测，比较2种算法对水印信息检测的结果，以分析本文所提出的方法抵抗数据拼接处理的能力。实验中算法的临界尺寸设定为256×256。

实验中主要就以下2种情况进行讨论和分析：①4 幅参与拼接处理的遥感影像只有1幅数据含有水印信息；②4幅参与拼接处理的遥感影像有多幅数据包含不同的水印信息。

图1 数据拼接前的遥感影像方位及尺寸

3.1 含有一个水印信息的情况

基于原型算法，对图1a进行水印信息的嵌入，而后将图a、b、c、d按其空间位置组织起来进行数据拼接处理，得到如图2所示的新遥感影像。

图2 拼接后遥感影像

分别使用算法1和算法2对图2所示的新遥感影像进行水印信息的检测。检测结果见表1，表中的水印检测范围是由四叉树分块决定的，表示水印检测范围在图2中的位置（以左上角为坐标原点），水印检测结果表示对四叉树分块区域提取水印信息后计算得到的水印检测系数。为便于表中数据的简化表达，在提取过程中如果相邻接的最小分块区域检测到的水印信息相同，则将邻接的分块区域合并后重新计算其相关系数。

表1 水印检测结果对比

从表1可以看出，原有水印检测算法在数据拼接处理后，并不能有效检测到水印信息，而基于四叉树分块递归判断的水印检测方法不但能有效检测出水印信息，同时能基本定位出含有水印信息的遥感影像数据区域在拼接处理后新遥感影像中的位置。

3.2 含有不同水印信息的情况

基于原型算法，对图1进行水印信息的嵌入，且分别嵌入不同的水印信息：WaterMark_A、WaterMark_ B、WaterMark_C、WaterMark_D。然后对4幅含水印遥感影像数据进行数据拼接处理，对拼接处理后的新遥感影像数据分别使用算法1和算法2进行水印信息检测，检测结果见表2。

表2 水印检测结果对比

从表2可以看出，原有水印检测算法在数据拼接处理后的新遥感影像中并不能有效检测到各个分块数据的水印信息。而基于四叉树分块递归判断的水印检测方法既能有效地检测出拼接处理前各幅遥感影像数据所对应的水印信息，同时还能对各个水印信息所对应的分块数据位置进行基本定位，因此可以从提出的水印信息所对应的位置判断出拼接处理前的各幅遥感影像区域。

3.3 算法分析

将本文所提出的方法与基于黄金分割法搜索的水印检测算法[13]相比较，本方法不仅能检测出拼接数据中所含水印信息的数量和类型，含有怎样的水印信息，其最大的特色是可以对各个水印信息所对应的分块数据在拼接生成的新地理空间数据中的相应位置进行区域定位。

本方法是基于地理空间数据分幅存储特征进行设计的，对不同类型的地理空间数据具有良好的适用性，可应用于矢量地理数据、数字高程模型数据等领域。

由于本方法是基于原型算法设计的，而在水印检测过程中并没有任何与原型算法的冲突和不融，因此可根据数据类型、数据特性等原则从现有研究成果中选择合适的优秀水印算法作为原型算法，在最大程度地保留现有研究成果优势的基础上，解决由于地理空间数据的拼接处理而引发的水印新问题，本文方法现势性较好。

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P208

B

1672-4623（2015）03-0017-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.03.006

符浩军，博士，主要研究方向为地理数据共享与安全、GIS应用等。

2014-04-14。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（41071245）。