基于ArcGIS的矢量脱密数据恢复分析

刘仁志 范柱国 刘培毓

摘  要： 地理信息是指有关于自然、经济和人为现象的地理空间位置的信息，是重要的战略信息资源，对维护国家安全和社会稳定起着至关重要的作用。地理信息技术在给人们的生产和生活带来巨大便利的同时，地理信息的安全共享问题亟待解决。本文并根据ArcGIS的工作原理和模型特征设计了数据恢复方法，实现了一定条件下线性脱密数据的精确恢复。

关键词： 矢量脱密;数据恢复;ArcGIS;多项式变换;线性变换

【Abstract】： Geographic information refers to the information on geospatial location of natural， economic and artificial phenomena. As important strategic information resource， it plays vital role in maintaining national security and social stability. Geographic information technology brings great convenience to people's production and living，however， it is an urgent to solve problem of security and sharing of geographic information. According to working principle and model characteristics of ArcGIS， the article designs a data recovery method， to achieve accurate recovery of linear decryption data under some certain conditions.

【Key words】： Vector decryption; Data recovery; ArcGIS; Polynomial transformation; Linear transformation

0  引言

地理信息的安全保护与共享应用之间的矛盾至今还未得到有效解决，国内外普遍采用地理信息产品安全等级管理机制和对外公开时的脱密处理方法这两种地理信息安全监管方法如美国主要通过转换数据、限制数据等方式进行敏感地理信息保护。国内则部分采用脱密技术进行涉密地理信息的转换处理[1]。本文进行基于ArcGIS的矢量脱密地理数据恢复方法研究，一方面有助于验证现有矢量数据脱密方法的可靠性与脱密数据的抗攻击性;另一方面，可以验证矢量数据脱密方法的可逆性，从而探究涉密矢量数据在互联网环境下安全传输存储以及低精度的矢量脱密数据恢复为高精度矢量数据的可行性[2-3]。

1  基于ArcGIS的线性脱密数据恢复实验对象

本章使用ArcGIS的空间校正工具进行恢复实验，实验数据为某区域shp格式矢量图“nnu.shp”，数据尺寸为507*500 m2，WGS84投影坐标系，地物要素包含建筑物、道路、湖泊等，实验数据如图1所示。本文所有实验结果图中，红线代表原数据，蓝色代表脱密数据，绿线代表恢复数据，后续实验不再赘述。

2  脱密流程

在ArcGIS中分别使用相似变换、仿射变换、射影变换对实验数据进行脱密处理，脱密的具体步骤如下：

第一步：在ArcGIS中加载实验用shp文件，开始编辑。设置编辑图层为“nnu.shp”。

第二步：打开空间校正工具，设置脱密图层为“nnu.shp”，选择校正方法。

第三步：建立20对位移链接。源控制点选点原则为以原数据范围的最小外接矩形作为选点区域，均匀选择20个控制点。目标控制点为随机选择的非源控制点的任意坐标，满足与原控制点的中误差暨坐标点位偏移量大于40，以满足地理数据脱密要求。保存位移连接表，如图2所示。

第四步：執行校正操作，得到脱密数据。

3  实验结果

在ArcGIS中分别使用相似变换、仿射变换、射影变换进行脱密处理结果如图3。

4  已知密钥的数据恢复方法研究

本节研究已知密钥的矢量脱密地理数据的恢复方法，本文密钥特指脱密使用的控制点对与脱密模型。

4.1  基于20对脱密控制点的数据恢复方法

利用ArcGIS进行已知密钥恢复方法默认为已知源控制点与目标控制点坐标以及脱密模型。其恢复流程步骤如下：

第一步：在ArcGIS中加载矢量脱密数据，开始编辑。设置编辑图层为矢量脱密数据。

第二步：打开空间校正工具，设置恢复图层为“nnu.shp”，选择与脱密数据一致的校正方法。

第三步：打开脱密实验中保存的位移链接表，将源控制点与目标控制点对换，保存后导入ArcGIS。

第四步：执行校正操作，得到恢复数据。

基于脱密控制点对的数据恢复实验结果如图4、图5、图6。

由实验结果可知，脱密数据并未完全恢复。根据线性变换模型的可逆特性，相似、仿射、射影线性脱密数据在已知脱密模型类型和控制点的情况下可以确定唯一的恢复变换矩阵实现脱密数据的精确恢复。

4.2  对比实验

由模型分析内容可知，相似变换、仿射变换、射影变换矩阵解算参数最少需要的控制点对分别是2对、3对、4对。为了验证脱密恢复理论的正确性，我们改变实验条件，在相应脱密过程中分别建立确定脱密模型需要最少数量的位移连接，重新进行脱密与恢复实验，实验结果如图7至图12所示。

分析实验结果与ArcGIS空间变换工具运行原理可知，产生两次实验结果分歧的原因是随机选择的20个脱密用位移连接不能满足同一仿射变换矩阵，ArcGIS在进行空间校正时使用最小二乘法计算出了最接近目标点集B的B，使位移连接中源点集A与B满足同一变换矩阵[4-5]。进行恢复实验时恢复模型应满足将B恢复到A。故在基于ArcGIS进行矢量

5  未知密钥的数据恢复方法研究

在实际应用过程中还会遇到未知脱密模型的矢量脱密地理数据，使用4.1节的恢复方法可以得出基于相似变换、仿射变换、与射影变换的三种恢复结果。以仿射变换为脱密模型为例，实验结果如13至图15所示。

实验结果可知，只有采用仿射模型的恢复方法实现了脱密数据的精确恢复。故仅当恢复模型与脱密模型一致时，数据才能精确恢复。理论上使用线性脱密方法的矢量地理数据可以精确恢复，但在模型未知仅已知控制点情况下，无法判断恢复结果的精确与否[6-7]。

6  结论与展望

6.1  研究结论

本文以几何校正技术为基础，围绕着矢量地理数据脱密与恢复需求，进行以下研究。首先分析了不同几何校正模型的特点及区别。其次设计了已知与未知密钥的情况下对矢量地理数据进行脱密并恢复的实验方法，并进行了简单的精度分析，通过对比评价结果，反映恢复模型的恢复能力[8-9]。主要研究结论及成果如下：

（1）根据常用线性几何校正模型，設计了针对矢量脱密地理数据的恢复方法。对该方法产生的恢

复精度误差进行分析，并根据ArcGIS的工作原理和模型特征设计了数据恢复方法，实现了脱密数据的精确恢复。

（2）设计了使用射影和多项式模型的恢复方法，进行了对相似、仿射、射影、多项式、径向基脱密数据的恢复实验。通过对中误差分析的结果可知：射影和多项式两种恢复方法均能实现本文线性脱密数据的精确恢复，说明线性脱密方法的可恢复性较好;多项式恢复方法对多项式脱密数据恢复效果良好，且优于射影恢复效果;两种方法对径向基脱密数据的恢复效果均较差[10]。

6.2  不足与展望

本文在研究中还存在着以下不足之处：

（1）恢复方法过于简单。本文涉及的模型不够丰富，大部分研究都是基于ArcGIS实现的，由于软件功能有限，且笔者二次开发能力的不足，对于脱密数据的恢复研究仍存在局限性，更多有效的恢复模型仍需进一步研究。

（2）在误差分析中，样本点为手动选取，仍然存在一定的误差。恢复效果评价也仅采用中误差对比分析，指标选取较为单一，全面系统的评价体系有待进一步研究。

参考文献

[1]张清浦， 苏山舞， 赵荣. 地理信息保密政策研究[J]. 测绘科学， 2008， 33（1）： 14-16.

[2]尹建国. 美国网络信息安全治理机制及其对我国之启示[J]. 法商研究， 2013（2）： 138-146.

[3]钟耳顺， 刘利. 我国地理信息产业现状分析[J]. 测绘科学， 2008， 33（1）： 17-20.

[4]赵晖， 龚丹丹. 美国网络地理信息安全监管及其对我国的启示[J]. 理论探讨， 2015（4）： 139-143.

[5]聂时贵， 刘玫， 王会娜. 基于ArcGIS的江苏省地理信息公共服务平台数据脱密方法[J]. 现代测绘， 2012， 35（6）： 42- 44.

[6]王新建. 基于Arcgis Server的测绘地理信息系统设计与实现[J]. 软件， 2016， 37（09）： 122-125.

[7]林海. 基于GIS的测绘地理数据脱密方法及应用[J]. 中国水运月刊， 2014， 14（7）： 336-337.

[8]傅宏. 公众版地图地理要素脱密处理方法[J]. 地理空间信息， 2010， 8（04）： 133-134.

[9]李安波， 吴雪荣， 解宪丽， 等. 精度可控的矢量地理数据脱密方法[J]. 中国矿业大学学报， 2016， 45（05）： 1050-1057.

[10]郭磊， 陈妍. 基于改进的混沌PSO算法在矢量地理数据脱密中的应用[J]. 数字技术与应用， 2018， 36（06）： 138-139.