李 勝

(中山市基礎(chǔ)地理信息中心，廣東 中山 528403)

一、引 言

地理信息公共平臺是數(shù)字城市建設(shè)的重要內(nèi)容，依托基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，采用先進的地圖服務(wù)發(fā)布手段與前沿的空間數(shù)據(jù)處理技術(shù)，通過在線方式滿足用戶對地理信息和空間定位、分析的基本需求。其中數(shù)據(jù)共享與安全是地理信息公共平臺的核心問題[1]，即既要不影響數(shù)據(jù)安全和保密，又要滿足用戶對服務(wù)的需求。為此，地理信息公共平臺根據(jù)用戶的不同，分為基礎(chǔ)版、政務(wù)版、公眾版3個版本，分別運行在涉密網(wǎng)、政務(wù)網(wǎng)和公眾網(wǎng)[2]，后兩者的數(shù)據(jù)經(jīng)過了保密處理，以解決保密與公開應(yīng)用的棘手難題。

空間查詢、檢索、空間分析和數(shù)據(jù)挖掘等空間信息利用方法均基于一定的空間關(guān)系[3]，而拓撲關(guān)系是空間關(guān)系中最基礎(chǔ)的關(guān)系，具有廣泛的應(yīng)用，特別是對于政務(wù)版用戶，其應(yīng)用常涉及經(jīng)濟利益及重大工程決策，對地理信息數(shù)據(jù)的精確拓撲關(guān)系具有較強的需求。

政務(wù)版用戶的數(shù)據(jù)來源有兩類：一類是基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，經(jīng)過了保密處理；第二類是用戶擁有的非涉密專題數(shù)據(jù)，也必須經(jīng)過保密處理，才能與第一類數(shù)據(jù)一起使用[4]。但是直接使用經(jīng)過保密處理的專題數(shù)據(jù)計算拓撲關(guān)系，誤差較大，經(jīng)常難以滿足用戶的精確計算需求。本文針對政務(wù)版地理信息公共平臺非涉密專題數(shù)據(jù)拓撲關(guān)系計算不精確的問題，分析了服務(wù)器端精確計算拓撲關(guān)系的可行性，基于面向服務(wù)的思想，研究了一種無需網(wǎng)絡(luò)傳輸保密數(shù)據(jù)的精確拓撲關(guān)系計算方法。

二、問題分析

根據(jù)國家有關(guān)保密政策要求，將近90%的基礎(chǔ)測繪成果屬于涉密范圍，公開使用有礙國家安全。為此，國家規(guī)定包括政務(wù)版和公眾版地理信息公共平臺在內(nèi)的互聯(lián)網(wǎng)地圖數(shù)據(jù)必須進行保密處理，即人為地對原始地形圖的坐標引入非線性偏移。該偏移在一定范圍內(nèi)相對不變，空間關(guān)系相對穩(wěn)定，能滿足精度不高的應(yīng)用需求[2]。但是由于該偏移具有不確定性，即不同地區(qū)偏移方向和偏移程度均不相同，基于保密處理后數(shù)據(jù)計算的拓撲關(guān)系難以滿足高精度專題應(yīng)用的要求。

只能定性地認為拓撲關(guān)系的這種變化在兩矢量距離較近時，保密處理前后的拓撲關(guān)系近似不變，當兩矢量距離增大時，拓撲關(guān)系發(fā)生變化的可能性也增大。由于非線性偏移處理算法和參數(shù)保密，難以對拓撲關(guān)系的變化定量分析。因此，研究出一種無需傳輸保密數(shù)據(jù)的拓撲關(guān)系精確計算方法，具有較強的理論意義和實用價值。

圖1 兩圓保密前后的拓撲關(guān)系

三、精確拓撲關(guān)系計算方法

1. 公網(wǎng)傳輸專題數(shù)據(jù)用戶端計算的方法

政務(wù)版專題數(shù)據(jù)拓撲關(guān)系精確計算問題的一種解決方法是將未經(jīng)保密處理的精確矢量數(shù)據(jù)加密后在公網(wǎng)傳輸，然后在用戶端進行解密，利用專題數(shù)據(jù)的精確坐標計算精確拓撲關(guān)系。該類方法需要在互聯(lián)網(wǎng)傳輸包含精確坐標的專題數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)易被截獲破解或在客戶端被非法利用[5]，從而增加了泄密風險。

2. 雙級服務(wù)器精確計算方法

(1) 算法可行性

為同時克服數(shù)據(jù)保密和精確計算的問題，將專題數(shù)據(jù)服務(wù)器分為精確版和加密版，分別存儲加密前后的專題數(shù)據(jù)?；诿嫦蚍?wù)的思想，將精確拓撲關(guān)系的計算交給服務(wù)器，由服務(wù)器提供相關(guān)服務(wù)?？蛻舳讼蚣用馨娣?wù)器發(fā)送拓撲關(guān)系精確計算請求，當該服務(wù)器接到請求后，再向精確版服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)精確計算請求，精確版服務(wù)器計算完成后，將結(jié)果通過加密版服務(wù)器反饋給用戶。在該方法中，精確專題數(shù)據(jù)存儲在精確版服務(wù)器，該服務(wù)器只接受來自加密版服務(wù)器的服務(wù)請求，精確計算也在加密版服務(wù)器完成，從而避免了專題數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)的傳輸，能同時滿足拓撲關(guān)系精確計算和數(shù)據(jù)保密的要求。

(2) 算法流程

精確拓撲關(guān)系計算的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及處理流程如圖2所示，包括3個部分：專題數(shù)據(jù)服務(wù)器精確版和加密版、互聯(lián)網(wǎng)和用戶。兩個服務(wù)器之間使用專線連接，且有防火墻隔離，精確版服務(wù)器只與加密版服務(wù)器相連，用戶無法直接訪問精確版服務(wù)器。加密版服務(wù)器維護著加密版和精確版數(shù)據(jù)庫同名矢量的ID映射表，并提供ID轉(zhuǎn)換服務(wù)。具體流程如下:

1) 用戶向服務(wù)器發(fā)送拓撲關(guān)系精確計算請求，參數(shù)為待計算矢量對A、B的加密版ID。

2) 加密版服務(wù)器收到請求后，查詢矢量ID映射表，得到A、B精確版的ID，并以該ID為參數(shù)向精確版服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)拓撲關(guān)系精確計算請求。

3) 精確版服務(wù)器收到請求后，從精確專題數(shù)據(jù)庫查詢得到A、B的精確坐標，計算拓撲關(guān)系，并將結(jié)果返回給加密版服務(wù)器。

4) 加密版服務(wù)器收到響應(yīng)后，將結(jié)果通過互聯(lián)網(wǎng)反饋給用戶。

四、試驗結(jié)果與分析

1. 非線性偏移對精確拓撲關(guān)系影響的模擬分析

采用非線性偏移方法，對表1中9個點的地理坐標進行保密處理

偏移前后的位置如圖3所示，其坐標為6°帶高斯投影，橫坐標減去了19 700 km，縱坐標4400 km。從圖3和表1可知，不同位置點偏移的方向和偏移量均是隨機的。表中相距約10 km的點形成的矢量，如線段AC偏移前后長度分別為4.3 km和5.1 km，三角形BDE偏移前后面積分別為11.8 km2和13.0 km2，經(jīng)過處理后長度、面積和拓撲關(guān)系均發(fā)生一定的變化。

圖2 精確拓撲關(guān)系計算的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及流程

表1 模擬非線性偏移前后坐標

圖3 非線性偏移處理前后的位置

2. 新方法的有效性試驗與分析

為驗證方法的有效性，搭建了模擬的原型系統(tǒng)，并在圖3所示的區(qū)域內(nèi)，隨機生成了30個點、10條線段和12個多邊形，如圖4所示。使用新方法和偏移后數(shù)據(jù)計算了這些矢量數(shù)據(jù)的常用拓撲關(guān)系，結(jié)果見表2。分析可知，直接基于偏移后的數(shù)據(jù)，拓撲關(guān)系均出現(xiàn)不同大小的錯誤率；基于新方法拓撲關(guān)系可以達到100%的正確率。

通過比較發(fā)現(xiàn)拓撲關(guān)系的錯誤，如相離變相交、內(nèi)含變相交、相交變相離、相交變內(nèi)含等，常發(fā)生在多邊形或線段的頂點位于另一多邊形某較長條邊的中點附近，原因在于該情況下保密處理前后相關(guān)3點偏移的大小和方向不一致。針對這一問題，新方法采用兩級服務(wù)器存儲數(shù)據(jù)，其中精確版服務(wù)器基于精確矢量通過加密版服務(wù)器向用戶提供精確計算服務(wù)，避免了保密數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)的傳輸，降低了數(shù)據(jù)泄密風險，同時解決了保密處理帶來的精確拓撲關(guān)系錯誤的問題。

圖4 模擬矢量數(shù)據(jù)

表2 兩種方法拓撲關(guān)系計算準確率對比

五、結(jié)束語

本文針對政務(wù)版地理信息公共平臺非涉密專題數(shù)據(jù)拓撲關(guān)系計算不精確的問題，設(shè)計了一種基于雙級服務(wù)器的計算方法，避免了在網(wǎng)絡(luò)傳輸精確矢量數(shù)據(jù)，降低了數(shù)據(jù)使用過程中的泄密風險；開發(fā)了原型系統(tǒng)，使用模擬的矢量，分析了非線性偏移加密算法的影響，并進行了試驗，結(jié)果表明新方案的可行有效。新方法還可用于解決政務(wù)版專題數(shù)據(jù)面積、長度的精確計算問題，進一步滿足用戶對精確計算服務(wù)的需求。

參考文獻：

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