符浩軍，范承嘯，朱長(zhǎng)青，王 剛

（1.西安測(cè)繪總站，陜西 西安 710054；2.南京師范大學(xué) 虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210046）

抗拼接處理的地理空間數(shù)據(jù)水印檢測(cè)方法

符浩軍1，范承嘯1，朱長(zhǎng)青2，王 剛1

（1.西安測(cè)繪總站，陜西 西安 710054；2.南京師范大學(xué) 虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210046）

對(duì)抗拼接處理的地理空間數(shù)據(jù)水印檢測(cè)方法進(jìn)行了研究。首先針對(duì)已有水印算法的不足，分析了地理空間數(shù)據(jù)拼接處理的特征及其對(duì)水印算法產(chǎn)生的影響，在此基礎(chǔ)上，以現(xiàn)有研究成果為原型，引入四叉樹分塊遞歸判斷的思想，設(shè)計(jì)了一種基于四叉樹的地理空間數(shù)據(jù)水印檢測(cè)方法，以解決數(shù)據(jù)拼接處理所引發(fā)的水印新問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該方法不僅能判斷出拼接數(shù)據(jù)中含有怎樣的水印信息，同時(shí)能對(duì)特定水印信息所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)域進(jìn)行較精確的定位。

地理空間數(shù)據(jù)；水印檢測(cè)；數(shù)據(jù)拼接；四叉樹；區(qū)域定位

計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和WebGIS的迅猛發(fā)展極大地促進(jìn)了地理空間數(shù)據(jù)的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程，使得地理空間數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)、訪問(wèn)、流通、復(fù)制、應(yīng)用等方面變得更為便捷，同時(shí)也導(dǎo)致地理空間數(shù)據(jù)的版權(quán)侵犯現(xiàn)象日益嚴(yán)峻。作為新興的信息安全前沿技術(shù)，數(shù)字水印為解決此問(wèn)題提供了切實(shí)可行的途徑[1,2]。

近年來(lái)，針對(duì)地理空間數(shù)據(jù)版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印技術(shù)已有較多的研究[3-13]，這些成果在考慮水印算法魯棒性時(shí)，主要是針對(duì)常規(guī)圖像處理和幾何變換處理等水印攻擊進(jìn)行設(shè)計(jì)的，并沒(méi)有考慮到地理空間數(shù)據(jù)處理的特殊性。由于地理空間數(shù)據(jù)具有分幅存儲(chǔ)、拼接使用的特點(diǎn)，如何有效判斷出拼接生成的新地理數(shù)據(jù)中水印信息的詳細(xì)情況，是設(shè)計(jì)地理空間數(shù)據(jù)水印算法時(shí)不可回避的重要問(wèn)題。本文針對(duì)此問(wèn)題，結(jié)合地理空間數(shù)據(jù)的拼接使用特點(diǎn)，引入四叉樹分塊遞歸判斷思想，設(shè)計(jì)一種基于四叉樹分塊遞歸判斷的地理空間數(shù)據(jù)水印檢測(cè)方法。

1 數(shù)據(jù)拼接處理的水印特征分析

地理空間數(shù)據(jù)的拼接處理通常是將多幅鄰接的地理空間數(shù)據(jù)通過(guò)某些制圖工具按照一定的空間規(guī)則組織起來(lái)，合成一幅新的地理空間數(shù)據(jù)。在這個(gè)過(guò)程中，將導(dǎo)致以下問(wèn)題的出現(xiàn)：

1）在多幅參與拼接處理的地理空間數(shù)據(jù)中，可能只有一幅或幾幅數(shù)據(jù)含有相同的水印信息，而其他數(shù)據(jù)不包含水印信息。在這種情況下，水印檢測(cè)算法會(huì)對(duì)所有參與拼接處理的地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行水印檢測(cè)，對(duì)于原來(lái)不包含水印的數(shù)據(jù)，其所提取的水印信息本身是不存在的，這樣將會(huì)對(duì)有效提取的水印信息造成影響，最終可能導(dǎo)致水印誤檢的發(fā)生。

2）在多幅參與拼接處理的地理空間數(shù)據(jù)中，可能有多幅數(shù)據(jù)含有水印信息，并且它們所包含的水印信息并不唯一，如果直接應(yīng)用水印檢測(cè)算法來(lái)進(jìn)行水印檢測(cè)，會(huì)導(dǎo)致在拼接后新生成的數(shù)據(jù)中水印信息的檢測(cè)相互影響或者水印檢測(cè)不完整，從而造成水印檢測(cè)失敗或漏檢現(xiàn)象的出現(xiàn)。

通過(guò)分析上述情況下的數(shù)據(jù)拼接處理對(duì)水印算法產(chǎn)生的影響，可以將問(wèn)題簡(jiǎn)化為：在拼接處理后生成的新地理空間數(shù)據(jù)內(nèi)搜索并判斷其中某一個(gè)或某幾個(gè)拼接處理前的地理空間數(shù)據(jù)是否含有水印信息，含有多少水印信息，含有怎樣的水印信息，并定位出相應(yīng)水印信息在拼接數(shù)據(jù)內(nèi)所覆蓋的地圖區(qū)域。由于地理空間數(shù)據(jù)拼接處理并不會(huì)對(duì)其中的數(shù)據(jù)取值造成任何影響，水印信息在拼接處理過(guò)程中得到了完整的保留，一般的水印算法并不需要額外考慮數(shù)據(jù)是否作拼接處理。因此可以基于現(xiàn)有的研究成果為原型，思考如何制定有效的水印信息檢測(cè)及定位策略，使得水印檢測(cè)算法能從拼接數(shù)據(jù)中的某個(gè)或某幾個(gè)數(shù)據(jù)子塊中定位并檢測(cè)到正確的水印信息。

2 基于四叉樹分塊遞歸判斷的水印檢測(cè)方法

地理空間數(shù)據(jù)具有分幅存儲(chǔ)的特征，分幅的地理空間數(shù)據(jù)所覆蓋的制圖區(qū)域一般為規(guī)則矩形，因此可以將其看作為一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣，從這個(gè)角度去思考抗數(shù)據(jù)拼接處理的水印檢測(cè)方法，可以簡(jiǎn)要地概括為：對(duì)數(shù)據(jù)矩陣不斷分塊細(xì)化，并對(duì)每一子塊進(jìn)行判斷，直至成功或無(wú)法再細(xì)化分塊為止?；诖嗽瓌t，引入四叉樹分塊遞歸的方法來(lái)制定抗拼接處理的地理空間數(shù)據(jù)水印檢測(cè)方法?；谒牟鏄浞謮K遞歸判斷的水印檢測(cè)方法具體流程如下：

1）獲取地理空間數(shù)據(jù)尺寸M×N，從地理空間數(shù)據(jù)左上角開始，按照M/4×N/4大小將其均分為4等份，對(duì)多余的數(shù)據(jù)作合并處理。

2）對(duì)每一個(gè)分塊地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行水印信息的提取與檢測(cè)，如果在分塊數(shù)據(jù)中檢測(cè)不到水印信息，則轉(zhuǎn)到步驟3）；如果在分塊數(shù)據(jù)中檢測(cè)到水印信息，但檢測(cè)的水印信息與原始水印信息不完全吻合，則轉(zhuǎn)到步驟4）；如果在分塊數(shù)據(jù)中檢測(cè)到了水印信息，且檢測(cè)到的水印信息與原始水印信息完全吻合，則轉(zhuǎn)到步驟5）。

3）獲取當(dāng)前分塊地理空間數(shù)據(jù)尺寸，如果分塊數(shù)據(jù)尺寸小于某個(gè)臨界值，則轉(zhuǎn)到步驟6）；否則，對(duì)當(dāng)前分塊地理空間數(shù)據(jù)繼續(xù)采用四叉樹分塊處理，轉(zhuǎn)到步驟2）。

4）記錄當(dāng)前檢測(cè)到的水印信息，同時(shí)記錄分塊數(shù)據(jù)在原始數(shù)據(jù)中的位置，然后轉(zhuǎn)到步驟3）。

5）記錄當(dāng)前檢測(cè)到的水印信息，同時(shí)記錄分塊數(shù)據(jù)在原始數(shù)據(jù)中的位置，水印檢測(cè)結(jié)束。

6）分塊數(shù)據(jù)尺寸不符合繼續(xù)分塊要求，可判斷為無(wú)水印信息，水印檢測(cè)結(jié)束。

對(duì)于相鄰的分塊數(shù)據(jù)如果其檢測(cè)到的水印信息相同，則合并相鄰分塊數(shù)據(jù)形成新的分塊數(shù)據(jù)，記錄新的分塊數(shù)據(jù)位置，重新計(jì)算水印相關(guān)系數(shù)，并檢測(cè)其水印信息。

在四叉樹分塊遞歸的判斷步驟2）中，如果在分塊數(shù)據(jù)中檢測(cè)到了水印信息，且與原始水印完全吻合，則說(shuō)明分塊數(shù)據(jù)中有且只有原始水印，無(wú)需繼續(xù)分塊檢測(cè)；如果在分塊數(shù)據(jù)中檢測(cè)到水印信息，但與原始水印不完全吻合，則說(shuō)明分塊數(shù)據(jù)中可能存在不含有水印的數(shù)據(jù)塊或者含有其他水印的數(shù)據(jù)塊，使得檢測(cè)到的水印信息含有噪聲，因此還需要繼續(xù)分塊判定；如果在分塊數(shù)據(jù)中檢測(cè)不到水印信息，則分塊數(shù)據(jù)有可能無(wú)水印信息，也可能含有多個(gè)水印信息相互影響而導(dǎo)致水印檢測(cè)失敗，因此還需要繼續(xù)分塊判定。步驟3）中臨界值的選定由地理空間數(shù)據(jù)本身尺寸特性和水印算法適用性決定。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證所提出的水印檢測(cè)方法對(duì)抗數(shù)據(jù)拼接處理的性能，進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)與分析。實(shí)驗(yàn)中所采用的測(cè)試數(shù)據(jù)為圖1所示的4幅相互鄰接的遙感影像數(shù)據(jù)，用這4幅遙感影像來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)柵格地理數(shù)據(jù)水印技術(shù)中的數(shù)據(jù)拼接攻擊，水印嵌入算法采用文獻(xiàn)[9]所提出的抗幾何變換的柵格地理數(shù)據(jù)變換域水印嵌入算法，而后對(duì)數(shù)據(jù)拼接處理后的遙感影像分別用文獻(xiàn)[9]所提出的水印檢測(cè)算法（下文簡(jiǎn)稱算法1）和本文所提出的基于四叉樹分塊遞歸判斷的水印檢測(cè)方法（下文簡(jiǎn)稱算法2）進(jìn)行水印信息檢測(cè)，比較2種算法對(duì)水印信息檢測(cè)的結(jié)果，以分析本文所提出的方法抵抗數(shù)據(jù)拼接處理的能力。實(shí)驗(yàn)中算法的臨界尺寸設(shè)定為256×256。

實(shí)驗(yàn)中主要就以下2種情況進(jìn)行討論和分析：①4 幅參與拼接處理的遙感影像只有1幅數(shù)據(jù)含有水印信息；②4幅參與拼接處理的遙感影像有多幅數(shù)據(jù)包含不同的水印信息。

圖1 數(shù)據(jù)拼接前的遙感影像方位及尺寸

3.1 含有一個(gè)水印信息的情況

基于原型算法，對(duì)圖1a進(jìn)行水印信息的嵌入，而后將圖a、b、c、d按其空間位置組織起來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接處理，得到如圖2所示的新遙感影像。

圖2 拼接后遙感影像

分別使用算法1和算法2對(duì)圖2所示的新遙感影像進(jìn)行水印信息的檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果見表1，表中的水印檢測(cè)范圍是由四叉樹分塊決定的，表示水印檢測(cè)范圍在圖2中的位置（以左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)），水印檢測(cè)結(jié)果表示對(duì)四叉樹分塊區(qū)域提取水印信息后計(jì)算得到的水印檢測(cè)系數(shù)。為便于表中數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)化表達(dá)，在提取過(guò)程中如果相鄰接的最小分塊區(qū)域檢測(cè)到的水印信息相同，則將鄰接的分塊區(qū)域合并后重新計(jì)算其相關(guān)系數(shù)。

表1 水印檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

從表1可以看出，原有水印檢測(cè)算法在數(shù)據(jù)拼接處理后，并不能有效檢測(cè)到水印信息，而基于四叉樹分塊遞歸判斷的水印檢測(cè)方法不但能有效檢測(cè)出水印信息，同時(shí)能基本定位出含有水印信息的遙感影像數(shù)據(jù)區(qū)域在拼接處理后新遙感影像中的位置。

3.2 含有不同水印信息的情況

基于原型算法，對(duì)圖1進(jìn)行水印信息的嵌入，且分別嵌入不同的水印信息：WaterMark_A、WaterMark_ B、WaterMark_C、WaterMark_D。然后對(duì)4幅含水印遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接處理，對(duì)拼接處理后的新遙感影像數(shù)據(jù)分別使用算法1和算法2進(jìn)行水印信息檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 水印檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

從表2可以看出，原有水印檢測(cè)算法在數(shù)據(jù)拼接處理后的新遙感影像中并不能有效檢測(cè)到各個(gè)分塊數(shù)據(jù)的水印信息。而基于四叉樹分塊遞歸判斷的水印檢測(cè)方法既能有效地檢測(cè)出拼接處理前各幅遙感影像數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的水印信息，同時(shí)還能對(duì)各個(gè)水印信息所對(duì)應(yīng)的分塊數(shù)據(jù)位置進(jìn)行基本定位，因此可以從提出的水印信息所對(duì)應(yīng)的位置判斷出拼接處理前的各幅遙感影像區(qū)域。

3.3 算法分析

將本文所提出的方法與基于黃金分割法搜索的水印檢測(cè)算法[13]相比較，本方法不僅能檢測(cè)出拼接數(shù)據(jù)中所含水印信息的數(shù)量和類型，含有怎樣的水印信息，其最大的特色是可以對(duì)各個(gè)水印信息所對(duì)應(yīng)的分塊數(shù)據(jù)在拼接生成的新地理空間數(shù)據(jù)中的相應(yīng)位置進(jìn)行區(qū)域定位。

本方法是基于地理空間數(shù)據(jù)分幅存儲(chǔ)特征進(jìn)行設(shè)計(jì)的，對(duì)不同類型的地理空間數(shù)據(jù)具有良好的適用性，可應(yīng)用于矢量地理數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)等領(lǐng)域。

由于本方法是基于原型算法設(shè)計(jì)的，而在水印檢測(cè)過(guò)程中并沒(méi)有任何與原型算法的沖突和不融，因此可根據(jù)數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)特性等原則從現(xiàn)有研究成果中選擇合適的優(yōu)秀水印算法作為原型算法，在最大程度地保留現(xiàn)有研究成果優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，解決由于地理空間數(shù)據(jù)的拼接處理而引發(fā)的水印新問(wèn)題，本文方法現(xiàn)勢(shì)性較好。

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B

1672-4623（2015）03-0017-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.03.006

符浩軍，博士，主要研究方向?yàn)榈乩頂?shù)據(jù)共享與安全、GIS應(yīng)用等。

2014-04-14。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41071245）。