基于最邻近指数的GIS矢量数据版权认证方法

摘要

本发明公开了一种基于最邻近指数的GIS矢量数据版权认证方法。该方法是基于最邻近指数构建GIS矢量数据零水印，并基于零水印版权标识和认证原理进行版权认证，具体包括如下过程：(1)针对GIS矢量数据的零水印生成过程，包括空间网格生成、最邻近指数计算、零水印生成等步骤；(2)针对GIS矢量数据的版权标记提取和认证过程，包括密钥读取、零水印提取、原始水印与提取水印相似度计算等步骤。本版权认证方法对几何变换、投影变换、格式变换等多种内容保持操作具有鲁棒性，且不会对数据质量造成任何影响。

说明书

技术领域

本发明属于地理信息安全领域，具体涉及一种GIS矢量数据分块后，根据各分块最邻近 指数构建零水印，并在此基础上进行GIS矢量数据版权认证的方法。

背景技术

目前已提出实现GIS矢量数据产品版权认证的多种算法，也有一定的版权保护系统出现， 但随之出现的各种版权标记攻击方法，暴露了目前算法的弱点。单一的版权标记技术虽可用于 GIS矢量数据的篡改提示、生产商身份标识及叛逆者跟踪等版权认证，但存在着以下两方面不 足：1)嵌入在GIS矢量数据产品中的版权标记，易被其应用软件--GIS软件的坐标变换、投 影变换、旋转、放大、缩小等操作所擦除，算法的鲁棒性难以满足版权保护的需要；2)版权 标记的嵌入会造成一定的数据失真。

面向GIS矢量数据的海量特点与高保真要求，基于传统版权标记算法的版权认证越来越 无能为力。零水印作为一种新型的数字水印系统，由于是利用原始作品的重要特征来构造原始 水印信号，而不是修改这些特征，可以很好地解决数字水印的不可感知性和鲁棒性之间的矛盾， 并是一种天然的盲水印系统。

最邻近指数作为一种点模式空间分析方法，有效代表了点群的空间分布特征，且不受坐标 变换、旋转、放大、缩小等操作的影响，是一种适用于构建零水印的重要产品特征。为此，本 发明主要基于最邻近指数构建GIS矢量数据零水印，并基于零水印版权标识和认证原理进行 GIS矢量数据的版权认证。

发明内容

本发明的目的在于：基于最邻近指数构建GIS矢量数据零水印，并基于零水印版权标识 和认证原理，提出一种具无失真、高鲁棒性特点的GIS矢量数据版权认证方法。

为了实现上述目的，本发明基于最邻近指数的GIS矢量数据版权认证方法主要包括以下 过程：

(一)版权标记生成过程

步骤一：打开GIS矢量数据点图层文件PointLayer；

步骤二：设置网格行数M和列数N，在点图层文件PointLayer的基础上生成其空间分区网 格图层GridLayer；

步骤三：针对图层GridLayer中的每个网格要素，依次计算每个网格所覆盖点图层文件 PointLayer中相应点要素的最邻近指数，具体计算步骤为：

6)计算点图层文件PointLayer中任意一点到其最邻近点的距离d_min；

7)对所有的距离d_min,按照公式(1)计算平均距离；其中：s_i为研究区域中的事件，n是 事件的数量；

${\bar{d}}_{min}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{d}_{min}\left(s_i\right)---\left(1\right)$

8)按照公式(2)，计算平均最邻近距离E(d_min)；其中，m为网格中点要素的数量，A为 网格面积；

$E\left(d_{\min }\right)=\frac{1}{2\sqrt{\frac{m}{A}}}---\left(2\right)$

9)按照公式(3)，计算最邻近指数R；

$R=\frac{{\bar{d}}_{\min }}{E\left(d_{min}\right)}---\left(3\right)$

10)循环步骤1)至步骤4)，直至所有网格计算完毕；

步骤四：将最邻近指数各取小数点后k位小数，如果位数不足补0，按空间从左至右、从 上至下的顺序依次排列在一起，即形成特征认证信息W；

步骤五：在特征认证信息W前面加上8位当前日期字符串后，根据用户设置密钥信息Key， 基于RSA加密算法对认证信息W进行加密，生成带时间戳的版权标识加密信息We；将该加 密信息We、网格行数M、网格列数N、位数k和密钥信息Key存档，以备版权认证使用；

(二)版权标记提取和认证过程

步骤一：当发现可疑产品时，提供加密信息We、网格行数M、网格列数N、位数k、密 钥信息Key和可疑GIS矢量数据文件用于版权认证；

步骤二：根据上述(一)版权标记生成过程中的步骤二至步骤三，计算最邻近指数；

步骤三：针对各最邻近指数，其个位数字设为0，小数位取k位小数位后，依次存入数组 ExInfo中；

步骤四：根据密钥信息Key，对存档的版权标识加密信息We进行解密，生成8位时间戳 信息和特征认证信息W；

步骤五：最邻近指数的恢复：设各近似最邻近指数的个位为0，其小数位，由特征认证信 息W每k位一组分割后得到，然后将恢复后的最邻近指数写入数组RegInfo中；

步骤六：依据公式(4)计算相似度S，

$S=\frac{{\Sigma }_{i=1}^l\left(ExInfo\left[i\right]\times \mathrm{Re}gInfo\left[i\right]\right)}{{\Sigma }_{i=1}^l\left(\sqrt{ExInfo{\left[i\right]}^2}\times \sqrt{\mathrm{Re}gInfo{\left[i\right]}^2}\right)}---\left(4\right)$

其中，ExInfo[i]、Reginfo[i]分别为数组ExInfo、数组RegInfo的元素，l为数组长度；

步骤七：t为用户指定阈值，如果S>＝t，则证明可疑产品为侵权作品；否则，则不是侵权 作品。

本发明根据GIS矢量数据线面层中不同分块的最邻近指数，基于零水印原理，提出了一 种针对GIS矢量数据的版权标记与版权认证方法。该版权认证方法对几何变换、投影变换、 格式变换等多种内容保持操作具有鲁棒性，且不会对数据质量造成任何影响。

附图说明

图1是本发明方法的版权标记生成流程图；

图2是本发明方法的版权认证流程图；

图3是本发明实施例的实验数据；

图4基于实验数据生成的网格。

具体实施方式

下面结合附图和实施例做进一步详细说明。

本实例选择1：400万中国县级市点状图层为实验数据(见图3)，认证阈值取0.85,k＝5， 针对整个过程，进一步详细说明本发明。

(1)版权标记生成过程

步骤一：打开点图层文件PointLayer，密钥Key值为“10010101”；；

步骤二：设置网格行数M为3，列数N为3，网格宽度为1600000，网格高度为1500000， 在点图层文件PointLayer的基础上生成其空间分区网格图层GridLayer(见图4，图中的数字0、 1、2、3、4、5、6、7、8为标注的网格编号)；

步骤三：针对GridLayer图层中的每个网格要素，依次计算每个网格所覆盖点图层文件 PointLayer中相应点要素的最邻近指数。经计算，各网格中相应点要素的最邻近指数依次为： 0.824452、0.000000、0.856124、0.941152、0.966581、0.966276、0.987798、1.026517、0.733962；

步骤四：将最邻近指数各取小数点后5位小数(不足补0)，按空间从左至右、从上至下 的顺序依次排列在一起，即形成特征认证信息W：824450000085612941159665896627 987790265173396；

步骤五：在特征认证信息W前面加上8位当前日期字符串“20140304”后，根据用户设置 密钥信息Key，基于RSA加密算法对认证信息W进行加密，生成带时间戳的版权标识加密信 息We。该We信息、网格行数M、网格列数N、位数k、密钥信息Key等需存档，以备版权 认证使用；

(2)版权标记提取和认证过程。

步骤一：当发现可疑产品时，提供We信息、属性字段集合、密钥信息Key和经变换后的 可疑GIS矢量数据文件用于版权认证。本环节中，选择经数据平移、数据旋转等内容保持操 作处理形成的数据作为实验数据(图3)；

步骤二：根据版权标记生成过程中的步骤二至步骤三，计算各相应分块的最邻近指数，其 值分别为：0.824452、0.000000、0.856124、0.941152、0.966581、0.966276、0.987798、1.026517、 0.733962；

步骤三：针对各最邻近指数，其个位数字设为0，小数位取k位小数位后，其值分别为： 0.82445、0.00000、0.85612、0.94115、0.96658、0.96627、0.98779、0.02651、0.73396，然后 依次存入数组ExInfo中；

步骤四：根据密钥信息Key，对存档的版权标识加密信息We进行解密，生成8位时间戳 信息“20140304”和特征认证信息W：8244500000856129411596658966279877902651 73396；

步骤五：最邻近指数的近似还原处理。设各近似最邻近指数的个位为0，其小数位，由特 征认证信息W每k位一组分割后得到。还原后的值，分别为：0.82445、0.00000、0.85612、 0.94115、0.96658、0.96627、0.98779、0.02651、0.73396，然后写入数组RegInfo中；

步骤六：依据前述公式(4)，计算相似度S。本实施例中，S为1；

步骤七：由于相似度S为1，大于认证阈值0.85,则可疑产品为侵权作品。

本发明实施例中仅以点图层数据进行版权标记生成与认证处理；如果将线、面要素视为相 关点要素的集合，该方法也可以适用于线、面图层数据的版权标记生成与认证。

本发明实施例中仅以shp格式的GIS矢量数据进行版权标记生成与认证处理，该方法也适 用于GML、E00、MIF等其它格式GIS矢量数据的版权标记生成与认证处理。

相关实验可知，该版权认证方法对平移变换、放缩变换、投影变换、格式变换等多种操作 具有鲁棒性，且不会对数据质量造成任何影响。本发明所采用的方法可以较好地应用于GIS 矢量数据的版权认证。