矢量地理数据数字水印算法及其应用研究
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摘要
矢量地理数据是地理空间数据的重要组成部分，是国民经济、国防建设中不可缺少的战略资源，在国家经济建设、人民生产生活中发挥着重要的基础作用。在目前信息化、网络化时代，矢量地理数据作为一种数字产品不仅面临着严峻的安全问题，而且由于矢量地理数据空间定位性和精度等特殊要求使其更加容易受到安全威胁，造成的影响和损失也更加广泛、严重。在这样的背景下，矢量地理数据的安全迫切需要可靠、有效的技术来保障。
数字水印技术是符合矢量地理数据安全需求、同时继承和发扬了传统信息安全技术的前沿技术，在矢量地理数据安全保护方面正在发挥越来越重要的作用。基于数字水印的优势，针对矢量地理数据中的安全问题，论文对矢量地理数据数字水印算法及其应用进行研究，主要研究成果如下：
1、对基于鲁棒水印的矢量地理数据水印模型与算法进行研究。基于矢量地理数据变换域鲁棒水印本质特征分析，剖析现有矢量地理数据变换域鲁棒水印算法的缺陷，将数据划分作为变换域鲁棒水印的基础，提出了一种矢量地理数据变换域鲁棒水印模型，并基于模型提出了一种基于DFT的抗平移矢量地理数据鲁棒水印算法，对模型进行了实践和验证。并基于鲁棒水印的研究成果，针对矢量地理数据更新中的问题，提出了一种基于鲁棒水印的矢量地理数据更新方法，为矢量地理数据更新提供了安全、高效的基于数字水印的解决方案。
2、对基于脆弱水印的矢量地理数据精确认证算法进行研究。基于脆弱水印在精确认证方面的优势，提出了一种针对数据点的脆弱水印算法，算法利用矢量地理数据自身的特征映射生成脆弱水印，并基于量化思想将水印信息嵌入到数据点上，实现对矢量地理数据篡改的检测，并将篡改精确定位到数据点上。在此基础上，将数据点两两联系起来，利用数据点和相邻数据点的特征共同生成脆弱水印信息，提出了一种精确认证的脆弱水印算法，能够对矢量地理数据所有的篡改实现精确认证和定位。
3、对基于半脆弱水印的矢量地理数据选择性认证算法进行研究。分析矢量地理数据应用中的合法与不合法失真，研究矢量地理数据半脆弱水印算法。针对数据压缩为合法失真的情况，对矢量地理数据特征点和非特征点使用不同的水印嵌入方法，提出了一种抗数据压缩的半脆弱水印算法，实现对数据压缩的选择性认证。针对数据平移、旋转几何变换为合法失真的情况，利用变换时的距离不变量构造距离常函数，针对函数值自适应地确定水印嵌入位置进行水印嵌入，提出了一种抗几何变换的半脆弱水印算法，实现对数据平移、旋转几何变换的选择性认证。
4、对鲁棒水印和脆弱水印相结合的矢量地理数据水印算法进行研究。结合矢量地理数据水印实际应用，对鲁棒水印和脆弱水印的本质特征进行分析。针对数据拼接和融合攻击下鲁棒水印检测困难，提出了一种基于数据点定位的矢量地理数据水印算法，利用脆弱水印的篡改定位功能，排除不含水印数据点的干扰，同时利用鲁棒水印实现对矢量地理数据版权信息的可靠检测。利用脆弱水印与鲁棒水印相结合，改进了矢量地理数据更新方法，发挥鲁棒水印作用的同时，利用脆弱水印检测结果快速确定数据更新的部分，从而减小更新数据的比较范围，大大提高了水印去除的效率。利用基于距离的常函数，提出了一种鲁棒水印和半脆弱水印通用的矢量地理数据水印算法，有效提升了半脆弱水印算法的实用性，同时满足矢量地理数据版权保护和完整性认证的要求。
5、基于矢量地理数据鲁棒水印算法和脆弱水印算法的研究，依据模块化设计思想，在系统总体框架设计和功能模块设计的基础上，实现了一个矢量地理数据数字水印原型系统。
Vector geographic data is an important part of the geospatial data，also is an indispensablestrategic resources in the national economy and national defense construction. It plays animportant role in the national economic construction and the foundation of people's productingand living. Under the environment of information and network, the vector geographic data as adigital production is facing the same security issues. Moreover, due to the position and accuracyof vector geographic data, it is easier to be destroyed and will cause more extensive and seriousimpacts and losses. Under this background, it is very important to study reliable and effectivetechnologies for protecting the security of vector geographic data.
Digital watermarking is in line with the applications of vector geographic data, meanwhileit inherits and carries forward the traditional security technologies. So it is playing anincreasingly important role in vector geographic data security protection. Based on theadvantages of digital watermarking, this dissertation studies digital watermarking algorithmsand applications for vector geographic data protection. The main research results are as follows:
1. This dissertation studies the robust watermarking model and algorithms for vectorgeographic data. Based on the analysis of essential characteristics of transform domain robustwatermarking and the defects of existing transform domain robust watermarking algorithms onvector geographic data, this dissertation proposes a vector geographic data transform domainrobust watermarking model using data partitioning as the basis. Based on the model Thisdissertation puts forward a DFT-based anti-translation vector geographical data watermarkingalgorithm which practiced and tested the model. Based on the research of robust watermarkingand the updating problem of vector geographic data, this dissertation proposes an updatingmethod for vector geographic data based on robust watermarking.
2. This dissertation studies the exact authentication based on fragile watermarking forvector geographic data.Based on the study of the vector geographic data exact authenticationtechnology and the advantage of fragile watermarking on exact authentication, this dissertationproposes a fragile watermarking algorithm for every data point. The algorithm uses vectorgeographic data feature to generate fragile watermark for every data point, and embedswatermark in the point base on the idea of quantization, so as to realize the detection of tamperand accurate position the tamper on the point. On this basis, using the feature of data point andadjacent data point together to generate fragile watermark, this dissertation proposes an exactauthentication fragile watermarking algorithm which can realize exact authentication andpositioning for all the tamper of vector geographic data.
3. This dissertation studies the selective authentication technology based semi-fragilewatermarking for vector geographic data. First, the dissertation analyses both legal and illegaldistortion in vector geographic data applications and the semi-fragile watermarking algorithmfor vector geographic data. Aiming at the case of legal distortion in data compressing, asemi-fragile watermarking algorithm for anti-compression is proposed, by using differentwatermarking methods on the feature points and non-feature points. For the cases of legaldistortion in data translation, rotation of geometric transformation, taking advantage of theconstant function that constructed by unchanged distance in geometric transformation, ansemi-fragile watermarking algorithm resisted geometric transformation is put forward. Theproposed algorithm can embed watermark in the specified location adaptively by classifying thevalue of constant function to realize the selective authentication with data translation, rotationof geometric transformation.
4. This dissertation studies the compound watermarking algorithms for vector geographicdata. Based on the watermarking applications in vector geographic data, this dissertationanalyses the essential characteristics of robust watermarking and fragile watermarking. Aimingat the defects of robust watermarking when vector geographic data splicing and fusing, awatermarking algorithm based on point positioning is proposed. Using the robust watermarkingtogether with fragile watermarking to embed watermark into the data, so can eliminate theinterference of data points without watermark, makes copyright information in vectorgeographic data can be reliably detected by robust watermarking. And the updating algorithmfor vector geographic data is improved using fragile watermarking with robust watermarking,the efficiency of detecting updated data and removing watermark is improved. Also a commonvector geographical data watermarking algorithm for robust watermarking and semi-fragilewatermarking based on constant function about distance is put forward. The algorithmeffectively increases the usefulness of semi-fragile watermarking algorithm, while meeting therequirements of copyright protection and data certification for vector geographic data.
5. Based on the research of robust watermarking and fragile watermarking algorithm forvector geographic data, digital watermarking prototype system for vector geographical data isconstructed using the idea of modular design. And the main function of the prototype system isintroduced.
数字水印技术是符合矢量地理数据安全需求、同时继承和发扬了传统信息安全技术的前沿技术，在矢量地理数据安全保护方面正在发挥越来越重要的作用。基于数字水印的优势，针对矢量地理数据中的安全问题，论文对矢量地理数据数字水印算法及其应用进行研究，主要研究成果如下：
1、对基于鲁棒水印的矢量地理数据水印模型与算法进行研究。基于矢量地理数据变换域鲁棒水印本质特征分析，剖析现有矢量地理数据变换域鲁棒水印算法的缺陷，将数据划分作为变换域鲁棒水印的基础，提出了一种矢量地理数据变换域鲁棒水印模型，并基于模型提出了一种基于DFT的抗平移矢量地理数据鲁棒水印算法，对模型进行了实践和验证。并基于鲁棒水印的研究成果，针对矢量地理数据更新中的问题，提出了一种基于鲁棒水印的矢量地理数据更新方法，为矢量地理数据更新提供了安全、高效的基于数字水印的解决方案。
2、对基于脆弱水印的矢量地理数据精确认证算法进行研究。基于脆弱水印在精确认证方面的优势，提出了一种针对数据点的脆弱水印算法，算法利用矢量地理数据自身的特征映射生成脆弱水印，并基于量化思想将水印信息嵌入到数据点上，实现对矢量地理数据篡改的检测，并将篡改精确定位到数据点上。在此基础上，将数据点两两联系起来，利用数据点和相邻数据点的特征共同生成脆弱水印信息，提出了一种精确认证的脆弱水印算法，能够对矢量地理数据所有的篡改实现精确认证和定位。
3、对基于半脆弱水印的矢量地理数据选择性认证算法进行研究。分析矢量地理数据应用中的合法与不合法失真，研究矢量地理数据半脆弱水印算法。针对数据压缩为合法失真的情况，对矢量地理数据特征点和非特征点使用不同的水印嵌入方法，提出了一种抗数据压缩的半脆弱水印算法，实现对数据压缩的选择性认证。针对数据平移、旋转几何变换为合法失真的情况，利用变换时的距离不变量构造距离常函数，针对函数值自适应地确定水印嵌入位置进行水印嵌入，提出了一种抗几何变换的半脆弱水印算法，实现对数据平移、旋转几何变换的选择性认证。
4、对鲁棒水印和脆弱水印相结合的矢量地理数据水印算法进行研究。结合矢量地理数据水印实际应用，对鲁棒水印和脆弱水印的本质特征进行分析。针对数据拼接和融合攻击下鲁棒水印检测困难，提出了一种基于数据点定位的矢量地理数据水印算法，利用脆弱水印的篡改定位功能，排除不含水印数据点的干扰，同时利用鲁棒水印实现对矢量地理数据版权信息的可靠检测。利用脆弱水印与鲁棒水印相结合，改进了矢量地理数据更新方法，发挥鲁棒水印作用的同时，利用脆弱水印检测结果快速确定数据更新的部分，从而减小更新数据的比较范围，大大提高了水印去除的效率。利用基于距离的常函数，提出了一种鲁棒水印和半脆弱水印通用的矢量地理数据水印算法，有效提升了半脆弱水印算法的实用性，同时满足矢量地理数据版权保护和完整性认证的要求。
5、基于矢量地理数据鲁棒水印算法和脆弱水印算法的研究，依据模块化设计思想，在系统总体框架设计和功能模块设计的基础上，实现了一个矢量地理数据数字水印原型系统。
Vector geographic data is an important part of the geospatial data，also is an indispensablestrategic resources in the national economy and national defense construction. It plays animportant role in the national economic construction and the foundation of people's productingand living. Under the environment of information and network, the vector geographic data as adigital production is facing the same security issues. Moreover, due to the position and accuracyof vector geographic data, it is easier to be destroyed and will cause more extensive and seriousimpacts and losses. Under this background, it is very important to study reliable and effectivetechnologies for protecting the security of vector geographic data.
Digital watermarking is in line with the applications of vector geographic data, meanwhileit inherits and carries forward the traditional security technologies. So it is playing anincreasingly important role in vector geographic data security protection. Based on theadvantages of digital watermarking, this dissertation studies digital watermarking algorithmsand applications for vector geographic data protection. The main research results are as follows:
1. This dissertation studies the robust watermarking model and algorithms for vectorgeographic data. Based on the analysis of essential characteristics of transform domain robustwatermarking and the defects of existing transform domain robust watermarking algorithms onvector geographic data, this dissertation proposes a vector geographic data transform domainrobust watermarking model using data partitioning as the basis. Based on the model Thisdissertation puts forward a DFT-based anti-translation vector geographical data watermarkingalgorithm which practiced and tested the model. Based on the research of robust watermarkingand the updating problem of vector geographic data, this dissertation proposes an updatingmethod for vector geographic data based on robust watermarking.
2. This dissertation studies the exact authentication based on fragile watermarking forvector geographic data.Based on the study of the vector geographic data exact authenticationtechnology and the advantage of fragile watermarking on exact authentication, this dissertationproposes a fragile watermarking algorithm for every data point. The algorithm uses vectorgeographic data feature to generate fragile watermark for every data point, and embedswatermark in the point base on the idea of quantization, so as to realize the detection of tamperand accurate position the tamper on the point. On this basis, using the feature of data point andadjacent data point together to generate fragile watermark, this dissertation proposes an exactauthentication fragile watermarking algorithm which can realize exact authentication andpositioning for all the tamper of vector geographic data.
3. This dissertation studies the selective authentication technology based semi-fragilewatermarking for vector geographic data. First, the dissertation analyses both legal and illegaldistortion in vector geographic data applications and the semi-fragile watermarking algorithmfor vector geographic data. Aiming at the case of legal distortion in data compressing, asemi-fragile watermarking algorithm for anti-compression is proposed, by using differentwatermarking methods on the feature points and non-feature points. For the cases of legaldistortion in data translation, rotation of geometric transformation, taking advantage of theconstant function that constructed by unchanged distance in geometric transformation, ansemi-fragile watermarking algorithm resisted geometric transformation is put forward. Theproposed algorithm can embed watermark in the specified location adaptively by classifying thevalue of constant function to realize the selective authentication with data translation, rotationof geometric transformation.
4. This dissertation studies the compound watermarking algorithms for vector geographicdata. Based on the watermarking applications in vector geographic data, this dissertationanalyses the essential characteristics of robust watermarking and fragile watermarking. Aimingat the defects of robust watermarking when vector geographic data splicing and fusing, awatermarking algorithm based on point positioning is proposed. Using the robust watermarkingtogether with fragile watermarking to embed watermark into the data, so can eliminate theinterference of data points without watermark, makes copyright information in vectorgeographic data can be reliably detected by robust watermarking. And the updating algorithmfor vector geographic data is improved using fragile watermarking with robust watermarking,the efficiency of detecting updated data and removing watermark is improved. Also a commonvector geographical data watermarking algorithm for robust watermarking and semi-fragilewatermarking based on constant function about distance is put forward. The algorithmeffectively increases the usefulness of semi-fragile watermarking algorithm, while meeting therequirements of copyright protection and data certification for vector geographic data.
5. Based on the research of robust watermarking and fragile watermarking algorithm forvector geographic data, digital watermarking prototype system for vector geographical data isconstructed using the idea of modular design. And the main function of the prototype system isintroduced.
引文
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