测绘地理信息成果管理中数字水印技术的应用

周业多

摘要：测绘地理信息成果管理的难度在于传统的算法得出的电子数据复制、修改和再次传输操作上都较为方便，致使面对外来的攻击和篡改数据操作没有抵御能力，使得对测绘地理信息数据的管理工作难度增加，这对于数据管理工作和版权管理也提出了更大的挑战。为此，提出了基于LSB的改进型二维矢量图形数字水印算法，这种算法不仅具有一定的精准度还能够有效抵御数据更改和复制等问题对测绘地理信息成果造成的影响。

关键词：二维矢量图形；测绘地理信息成果；数字水印；LSB算法

引言：在网络技术和计算机技术等先进科技的推动下，测绘地理信息成果的呈现形式由原来的纸质图转向了电子图。在方便保存的同时为测绘地理信息成果的管理带来一定的安全隐患。因为，电子图较于纸质图更易于修改和复制，针对这一问题，可以采用数据安全中具有显著控制作用的新技术，即数字水印技术。数字水印技术是通过在数据文件中隐藏一定意义的版权信息，来实现数据质量及安全的管理方式。

1数字水印技术概述

数字水印技术是信息安全领域中发展起来的前沿技术，它将水印信息与载体数据紧密结合并隐藏其中，成为载体数据不可分离的一部分，但在需要时，能够通过一定的技术方法提取出水印内容，由此来认证数字内容真实性、确定版權拥有者、跟踪侵权行为，判别对象是否受到保护、监视被保护数据的传播、鉴别真伪和非法拷贝、为解决版权纠纷提供证据，从而成为知识产权保护和数字多媒体防伪的有效手段。

2数字水印技术要求

数字水印技术在数据安全管理中的应用较为普遍，而不断的数据类型对技术的要求也有所不同，针对测绘地理信息成果的管理，要达到版权认证、盗版追踪、篡改发现等的目的，对数字水印技术的要求有以下几点：对精确度的要求，在应用数字水印技术之前，需要确保其应用不会对原有的数据造成影响，尤其是不能影响数据的精确度；不可感知的能力，测绘地理信息成果的管理中要求水印嵌入后，无法使用肉眼感知，而是通过特定的技术才能提取和查看：稳固性，要求添加的水印具备抵抗篡改信息和复制信息等攻击的能力：安全性能，需要具备控制访问权限的能力，使未经授权的用户无法查看水印信息：储备量，数字水印技术算法中的水印信息量要充足，确保能够满足地理信息成果的需求；唯一性，水印信息要明确，确定数据版权的唯一拥有权。此外，水印还应做到几乎不占用额外空间。

3测绘地理信息成果的数据结构展现

3.1矢量数据

矢量数据是采用记录坐标的方式实现对点、线和几何图形等地理实体的展现。坐标空间是对长度和面积的精准定位。矢量数据不是单独存在的，而是存在于相关数据处理软件中的一个功能模块。不同数据处理软件有不同的表现格式，如A utp一CAD中有DWG、DXF，ArcGIS中有SHP、FileGDB和PersonalGDB等格式，为了方便不同格式之间的转换，业内有可以完成格式转换的特殊处理软件。

3.2栅格数据

栅格数据是通过一定规格的网格来表现与地理信息数据对应的位置，从理论上来讲，空间的变化可以通过网格单元数值的变化来展现。在地理信息数据中的很多数据都是通过栅格数据来展现，例如地面高程模型和遥感影像数据等。

4测绘地理信息管理的数字水印关键理论与技术

测绘地理信息成果管理中数字水印技术的应用要对数字水印的自身构造、水印信息的嵌入方法及策略、数字水印的提取和检测方法进行研究，但是由于水印技术理论和技术发展的尚不成熟，为此，一些关键理论和技术难点还需要高度重视和深入研究。

4.1水印数学模型的建立

数字水印技术的基本过程是水印信息的嵌入与提取，而其核心则是水印数学模型的建立，数学模型的优劣直接影响数字水印技术是否可用。深入研究和提高数字水印理论模型，是提升数字水印技术及其应用的最重要的途径。

4.2数据误差控制

水印技术是将水印信息嵌入到数据本身上从而对数据进行保护的，不可避免地要对数据进行修改。如果对数据改变量过大，将直接影响到数据的精度，而精度是地理空间数据数字水印特有的基本特征。因此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，不影响数据的进一步使用和分析，这是数字水印技术必须优先考虑和解决的问题。

5测绘地理信息管理中数字水印技术的应用

5.1矢量数据数字水印嵌入

在分析矢量图的特点之后选择空域数字水印”来辅助测绘地理信息成果的管理工作。通过定比增加顶点的水印信息算法具有较强的抵御能力，但是容量相对较小，无法满足测绘地理信息的储量要求，且该算法的工作效率较低。而通过改进后的LSB算法虽然容量可以满足测绘地理信息成果的基本要求，但是对攻击的抵御能力不强。为此，我们可以将两种方式进行结合，保留二者的优势，去掉不足部分，形成适应测绘地理信息成果管理的新型算法。新型算法与原有的算法不同，不是将水印信息直接置换成新顶点的定比，而是先采用数字水印信息修改已定的比值，之后再使用该比值进行新顶点坐标的确定。

提取时可以使用顶点坐标序列来计算比值序列，之后利用比值序列对应的二进制序列进行水印信息的提取。在嵌入时，水印信息是在比值序列内的，这样在很大程度上保障了其抵御攻击的能力，此外，采用LSB算法在原始的比值中进行嵌入，使其容量得以保证。优化之后的新型算法具备了两种算法中的优势，使其抵御能力和容量问题都得以有效解决。

5.2栅格数据数字水印嵌入

为了研究栅格数据数字水印嵌入的方式，我们以遥感影像数据水印嵌入为列，将图像的最后一级的4个小波域子图中的部分像素进行嵌入，嵌入的强度要根据子图的内容而定（嵌入强度因子根据内容进行自动调整），主要表现为：嵌入因子会因所含水印图像的不同，对子图形成带来不同的作用，以此判定子图在水印中的比例，对提取和查看形成限制作用，增强抵御攻击的能力：水印强度因子通过对肉眼辨识度的分析，将水印图像缩小，同时对嵌入的局部纹理进行调整，这样既可以保证水印信息的不可感知能力，还有利于信息数据的安全性：通过分析子图的分布特征，对不同大小和形状的纹理块进行扫描的同时嵌入水印信息，特别是在细节子图中的嵌入，更加具有扰乱视线的效果；在使用高于平均像素的水印信息进行嵌入时，可以通过反色处理来提高水印信息的嵌入强度，且不影响水印信息的不可感知能力。

5.3数字水印提取

为了验证成果数据的版权、认证数字内容及其他附加信息的真实性，防止数据被非法盗用，可采用与嵌入算法相反的算法含有数字水印信息的加密图进行提取，并用与嵌入相对应的密钥使用bitget函数对数字水印进行数据重建，并和嵌入的原始数字水印进行比对，相同或者相似则可认为该数据为原始数据，相异则该数据被攻击或者篡改过。

6验证与分析

为了验证数字水印技术在测绘地理信息成果管理中的应用是否真正成功，就必须考察水印图像在经过一些攻击操作后是否仍能被提取、提取出来的水印能否通过比对分析。为此，我们可以做包括旋转、扩大、缩小、剪切、加入噪音、高通过滤、信号平衡、有损压缩编码、亮度对比度平衡、扫描打印等操作进行验证。

结果显示，本文所采用的基于LSB的改进型算法对不同的攻击操作具有不同的免疫力。当含有数字水印图像的成果图形收到旋转、比例放大、剪切、高通过滤机有损压缩编码等操作时具有较强的免疫力；而经比例缩小、亮度对比度变化、扫描打印等操作后，嵌入到图形成果中的数字水印信息收到了很大的损失，同时，原图的质量也发生了同比或者更大的下降。结语：本文在分析测绘地理信息电子数据特点的基础上，将质量信息以水印形式添加到测绘地理信息电子数据中。由于数字水印技术含量高，国内外对数字水印技术的研究尚未形成统一的理论框架。如何提高水印的鲁棒性，抵抗攻击，是所有水印设计者都关注的问题。当前，还没有任何算法能抵挡所有的攻击，特别是几何攻击。但可以肯定的是，数字水印技术的应用领域将进一步扩大，并向信息安全核心技术的方向发展。