到目前為止，國內外數字水印技術的研究主要集中在圖像、視頻和聲音等多媒體信息的版權保護上，在GIS空間數據中，通過隱藏水印信息并對其加密、壓縮以實現其安全保護的研究還很少，這是數字水印技術應用的一個新領域、新嘗試，也是GIS空間數據安全管理方法中一項具有挑戰性的創新技術研究。

一、空間數據水印信息隱藏與加密技術原理

GIS空間數據水印信息文件隱藏與文件加密是對GIS空間圖形數據實行安全保護的兩種核心方法，兩者對數據的保護都可轉化為對水印密鑰的保護，因此，GIS空間數據水印信息隱藏技術可以沿襲傳統加密與信息隱藏技術的一些基本思想和概念，但兩者采用的保護信息的手段是不相同的。

1、GIS空間數據水印信息隱藏原理

GIS空間數據數字水印信息隱藏技術是把一個具有版權意義的水印信息隱藏在普通GIS空間數據文件中，申明數據生產單位的版權及該數據的使用權屬，從而達到利用技術手段間接保護GIS空間數據版權的目的。采用數字水印信息隱藏技術需滿足如下條件：GIS空間數據中隱藏的水印信息不能直接被數據用戶感知；水印信息的隱藏不影響GIS空間數據的使用；隱藏的水印信息必須具有很高的魯棒性，即隱藏在GIS空間數據中的水印信息難以被非法數據用戶擅自干擾或去除。

GIS空間數據數字水印信息隱藏原理如圖1所示。

2、GIS空間數據中水印信息隱藏的可行性

數字水印信息能夠隱藏在GIS空間數據信息載體中的可行性可以從兩方面論證。

1）目前廣泛使用的幾種格式的GIS空間數據載體本身存在一定的冗余度，只要滿足地理精度需求，將數字水印嵌入到GIS空間數據載體中進行信息隱藏是完全可行的，這并不會影響地理信息本身的發行和使用。

2）人的視覺本身對GIS空間圖形信息有一定的掩蔽效應，利用這個效應，可以在視覺分辨率以下將水印信息隱藏而不被察覺。

3、GIS空間數據及水印信息加密

之所以將計算機加密技術與數字水印隱藏技術結合起來使用，是為了更大地增加非法用戶對隱藏有數字水印的數據進行攻擊的難度。

本研究兩次使用了加密技術，一次是將數字水印M加密之后再隱藏到GIS空間圖形數據載體C中，使非法用戶即使獲知GIS空間數據中隱藏有數字水印，也很難找到數字水印，更難以破譯；再一次是把加了水印的GIS空間數據加密，使數據即使在流通過程中被竊取，也不能被隨意使用。

二、GIS空間數據水印信息隱藏與加密技術的實現流程及方法

1、GIS空間數據水印信息隱藏與加密技術的實現流程

GIS空間數據被用戶購買進入流通渠道之后，其傳輸方式不管是通過網絡進行還是通過存儲介質，都可采用數據壓縮與加密相結合的方式實現數據傳輸與發行通道的安全保護。所有這些安全措施的解除則是伴隨著數據在合法用戶計算機上的安裝過程完成的。對GIS空間數據進行信息隱藏與加密的操作過程及其逆過程如圖所示。

1）采用LSB加密算法加載到圖像文件中的數字水印信息，其遭攻擊而受破壞的方法主要有濾波、圖像量化、幾何變形。圖像精度的衡量標準是像素大小，即清晰度，這是用戶追求的圖像的可用標準，更是用戶對圖像中的數字水印攻擊時考慮的主要問題。由于圖像文件面對的用戶面很廣，各自對圖像精度的要求不一，圖像文件中的水印經這些方法攻擊遭破壞后，還可以最大可能地保留文件的可用性。

但是這些攻擊方法如果應用于GIS空間圖形文件，則會直接破壞數據，導致數據不可用。這是因為，用戶對GIS空間數據的使用方式一般是作為基礎地理數據，在其上面加載專業部門的專題數據加以使用。之所以要用GIS空間基礎地理數據作背景，是為了追求數據地理精度的權威性，因此，對GIS空間數據的任何操作都會非常謹慎。即使知道了GIS空間數據中隱藏有數字水印，甚至知道數據中數字水印隱藏的算法，但是在不知道算法如何使用的情況下，如果冒險對數據進行攻擊性操作，就會令數據失去原有的精度，喪失其實用性。

2）圖像文件的傳播多采用網絡這種公開化的途徑，圖像文件的用戶群極為龐大，并且對圖像文件進行信息隱藏和加密以實行安全保護是一個眾人皆知的事實，甚至于很多技術都是完全公開化的。圖像的這種大眾化使用特性決定了對圖像中的數字水印進行攻擊的用戶面很廣，大大增加了其遭攻擊被破解的幾率。這就決定了對圖像文件實行信息隱藏和加密的技術處于一種創新與被攻擊、被破解的矛盾狀態中。

GIS空間數據的用戶對象往往是一些專業部門。

其一，GIS空間數據內隱藏的數字水印是不公開的，因此，用戶對GIS空間數據中是否隱藏數字水印以及水印隱藏的方式是不可知的。用戶獲取數據之后，只需對GIS空間數據包實行解壓、解密操作，數字水印的隱藏操作在后臺進行，它發揮的是隱匿式的跟蹤功能。

其二，非法用戶即使知道了GIS空間數據中隱藏有數字水印，甚至知道數據中數字水印隱藏的算法，但由于本文研究的數字水印隱藏技術不是在所有的GIS空間數據中都隱藏數字水印，而是有規律地選擇整幅圖中的幾十個特征點作為數字水印載體，使用偽隨機數發生器是為了把數字水印隨機地擴散到GIS空間數據隱密載體中，這種數字水印加載位置的不確定性大大增加了數據被攻擊的難度。因為攻擊者不知道后續消息位是否按相同次序嵌入，再加上非法用戶也無法察知水印確切地隱藏在數據的第幾位LSB，更無法知道數字水印在數據中隱藏的規律，并且數字水印和數據包都是經過加密的，在這種情況下，如果非法用戶嘗試擦除或繞過水印，或者冒險對數據惡意攻擊，就會損失所有數據的精度而失去實用性。

數字水印的具體提取、檢測方法通常采用直接檢測或相關檢測，本研究采用最大后驗概率檢測法。

2、GIS空間數據水印信息加密技術

本文選用了DES加密方法進行實驗，DES128位雙重加密算法是將輸入明文的64bit分成左右兩邊各32bit，再經過16層的左右兩邊換位與代替處理產生分散與換位效果的相互作用，從而通過一個個弱而簡單的要素組成一個高強度的密碼體制。

3、GIS數字水印數據壓縮技術

經過加密而隱藏了數字水印的GIS空間圖形數據不論采用光盤、網絡傳輸等任何一種方式傳輸數據，對數據打包壓縮，盡可能將數據量減小，無疑會給數據傳輸提供極大的方便。此外，通過壓縮也可再為數據增加一道保護屏障。

本研究采用了LZW壓縮算法。經驗證，GIS空間數據量可以減小到原來的20%以下。

三、實例分析GIS空間數據水印信息隱藏與加密技術方法

1、合法用戶序列號（水印密鑰）生成器

序列號生成器用來生成合法用戶的身份標識碼，由于這個標識碼是基于GUID的全球不重復的序列代碼，因此可用來識別用戶身份的惟一性。同時，這個標識碼又用來作為加密數字水印和GIS空間圖形數據包的密鑰，因此，這個生成器也是數據水印密鑰生成器。

2、水印的不可感知性和數據精度驗證

本文以1：1萬比例尺Arc/Info軟件的一個層作為研究對象，將嵌入水印信息后的隱密載體圖形數據與原數據疊加。經量算，其誤差為實地0.3m，完全在精度范圍之內（國家規定的1：1萬地形圖的最小誤差是實地10m）。并且，圖形被放大100倍左右，沒有可感知的視覺失真和精度失真，即GIS空間圖形數據的隱密載體和原載體是充分接近的。

由于加入水印信息后，在滿足精度條件下仍是有誤差的，從而涉及到原來是重合的結點在加水印后是否不重合的問題。對此，本研究在程序中對所選擇的隨機特征點進行了判斷，當所選擇的特征點是結點時，就選擇出所有對應的重合結點，在它們當中都加水印，使其閉合。這可以通過對嵌入水印信息的GIS空間圖形數據進行放大操作獲得驗證。

由此可以驗證埋入GIS空間圖形數據中的數據水印信息隱藏后是不可感知的，并且隱藏了數字水印的數據精度是符合規范的。

3、水印的抗干擾性、魯棒性驗證

抗干擾性、魯棒性是指GIS圖形數據對象中所隱藏數字水印信息的穩定性，即GIS圖形數據載體受到一定的擾動后，水印信息能最大限度地保證不被干擾、修改、去除，即使水印信息受到一定的擾動，也能得到最大程度的恢復，以滿足水印提取、核檢的需要。

對GIS圖形數據中數字水印的擾動可能是來自對數據的各種操作，包括常規的安全性操作和惡意的攻擊性操作。由于目前市場上的GIS軟件種類繁多，各個用戶單位采用的應用軟件平臺不統一，GIS空間數據生產單位在數據發行過程中常常需要根據用戶的需求不斷地進行數據格式轉換，用戶得到數據后也會由于操作GIS數據的應用軟件以及進行專題應用系統開發的軟件不同需要對數據進行格式轉換。由于各種GIS軟件的文件格式完全不同，并且都是不公開的，雖然各種軟件都提供了數據格式轉換的接口，但是由于對其他軟件的文件格式不能完全解析，就出現了數據文件轉換的不完全性（不是所有的數據信息都能得到對應的轉換）。這一直是GIS空間數據生產部門在數據管理和發行中的難題。因此，在研究的初期論證中，數據經過不同的格式轉換之后，能否保證數字水印的穩定性被作為一個重要的魯棒性驗證指標。

在Arc/Info的EOO格式數據中隱藏了水印信息之后，將其分別轉換為專業部門中最常使用的幾種圖形數據格式，再作相應的逆轉換，最后，在經過上述各種操作之后的EOO數據中提取原始的水印信息依然獲得了成功。

此外，水印信息隱藏后，如果是Arc/Info格式的數據，經過Arc/Info軟件編輯后是否對水印信息有影響？另外，采用EOO格式的例子，對于二進制格式或不公開格式是否不同？針對此問題，首先，對數據用戶的使用需求作分析。GIS空間數據用戶主要是將GIS空間圖形數據作底圖背景，在其上面疊加專業部門的專題數據加以使用。

在一般情況下，專業數據用戶對獲取的GIS空間圖形數據的地理精度會比較依賴，也不會輕易在缺少權威資料的情況下，對獲得的GIS數據作全面的編輯修改。另外，本文運用生產單位提供的江蘇省1：1萬數據作了大量的測試，證明在Arc/Info軟件中對隱密載體數據進行常規操作，不會影響水印信息的提取。

對于惡意的攻擊性操作，也進行了相關的實驗分析，發現在不能確切得知數字水印隱藏算法及其使用方法時，所作的惡意性解密及擦除水印操作都會破壞GIS空間圖形數據的精度。如在1：1萬地形圖中，會遠遠超過精度容限值實地10m，這種欠缺精度的GIS空間圖形數據即使被竊取，也已失去其實用性。

文章來源：夏冰軟件技術博客?http://www.cksis.com/blog/4889-giskongjianshuiyinjiamijishu.html

轉載于:https://www.cnblogs.com/yuanyl/p/3235268.html

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總結

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