CN102622409A - 基于夹角变换的线面类型gis矢量数据伪装与还原方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于夹角变换方法进行线面类型GIS矢量数据伪装与还原的方法，属于地理信息安全领域。本发明的数据伪装处理步骤：先设置密钥文件，再逐个读取要素的数据；基于密钥选择点对，并绕其相邻的左控制点进行旋转操作；将每个要素都处理完毕后保存伪装的数据。经本发明的方法进行伪装处理后，要素图层中坐标值发生改变从而导致坐标位置发生偏移，数据精度发生变化，对于数据精度质量要求较高的GIS矢量数据来说，这一处理显著降低了数据质量和数据使用价值，限制了非法拷贝或拦截数据的正常使用，达到一定的数据保护目的，一定程度上满足了GIS矢量数据的隐藏通信与安全传输需求。

Description

基于夹角变换的线面类型GIS矢量数据伪装与还原方法

技术领域

本发明属于地理信息安全领域，具体涉及一种基于夹角变换方法进行线面类型GIS矢量数据伪装与还原的方法。

背景技术

目前，信息隐藏中最为重要的两大分支为信息伪装(隐写术)和数字水印。信息伪装和数字水印二者虽然在形式上都采用了隐藏消息的机制，但在使用目的、保护对象、秘密信息性质、通信方式、性能要求、攻击形式等诸多方面存在较大不同。其中，数字水印主要用于版权认证，而信息伪装是一种秘密通信的手段，它通过隐藏秘密数据的存在性来获得秘密通信的安全。由于商业利益驱动，数字水印技术发展较为成熟，而信息伪装技术的发展相对滞后。

目前，在信息伪装的研究方面，所针对的载体数据类型主要包括图像、视频、遥感影像、DEM等。GIS矢量数据由于其特定的数据结构，多样的数据组织方式，复杂的空间关系，以及精度高、冗余少等特性，使得针对GIS矢量数据的信息伪装研究具有一定的特殊性和较大难度。

发明内容

针对当前GIS矢量数据信息伪装研究上的不足，本发明的目的在于：基于夹角变换方法，提出一种针对线面类型GIS矢量数据的伪装与还原方法，以有效提高GIS矢量数据在数据传输、发行过程中的安全性。

为了实现上述目的，本发明方法所采取的技术方案为：

(1)伪装过程：

步骤11，设置一个二进制格式的长度为n的随机序列信息M＝{M_i}，其中i＝0，1，…，n-1；

步骤12，打开一个线面类型GIS矢量数据文件，根据伪装要求，设置角度旋转值β，β＜45°；依次读取文件中每一要素的空间数据，获取各个要素中坐标点的个数m并判断所述要素是否需进行伪装处理：

i)若m＞＝n，则按照

将前n×L个坐标点分为L组，转入下一个步骤进行处理；

ii)若m＜n，则对所述要素不进行数据伪装处理；

步骤13，对要素F中的每一分组F_j，根据密钥循环从分组F_j中筛选需要进行处理的数据对，其中j＝0，1，…，L-1，筛选规则为：

i)如果M_i＝1或i＝0或i＝n-1，则该分组F_j中第i个点G_i作为控制点不进行处理；

ii)如果M_i＝0且i≠0且i≠n-1，则该分组F_j中第i个点G_i转入下一个步骤进行处理；

步骤14，判断点G_i是否需要进行伪装处理

a)查找与点G_i(X_i，Y_i)相邻的左右两个控制点A(X_m，Y_m)、B(X_n，Y_n)；

b)以A点、G_i点为端点，生成向量

(X_i-X_m，Y_i-Y_m)，以A点、B点为端点，生成向量

(X_n-X_m，Y_n-Y_m)；

c)计算向量和

的夹角θ；

d)根据θ值判断是否进行下一步伪装处理，规则为：

i)如果

则G_i不处理；

ii)如果θ∈(0，β)∪(β，2β)则G_i转入下一个步骤进行处理；

步骤15，判断向量

和的左右关系并设置标志值flag

a)按下式将G_i绕A点逆时针旋转角度θ生成临时点T_i(X_ti，Y_ti)；

$\left\{\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{ti}}=X_m+(X_i-X_m)\×\cos \mathrm{\θ}-(Y_i-Y_m)\×\sin \mathrm{\θ}\\ Y_{\mathrm{ti}}=Y_m+(Y_i-Y_m)\×\cos \mathrm{\θ}+(X_i-X_m)\×\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(\text{1}\right)$

b)计算旋转后的向量

和

的夹角，如果夹角为0，则表明初始状态下向量

在

的右侧，设flag为false；否则向量在

的左侧，设flag为true。

步骤16，利用角度旋转方法对Gi进行伪装，根据

与

的夹角θ及flag值做以下处理：

i)如果θ∈(0，β)且flag为true，或者θ∈(β，2β)且flag为false，利用下式修改G_i点坐标，将其绕A点逆时针旋转角度β生成G_i(X″_i，Y″_i)；

$\left\{\begin{array}{c}{X}_i^{\′\′}=X_m+(X_i-X_m)\×\cos \mathrm{\β}-(Y_i-Y_m)\×\sin \mathrm{\β}\\ Y_i^{\′\′}=Y_m+(Y_i-Y_m)\×\cos \mathrm{\β}+(X_i-X_m)\×\sin \mathrm{\β}\end{array}\right.---\left(2\right)$

ii)如果θ∈(0，β)且flag为false，或者θ∈(β，2β)且flag为true，利用下式修改G_i点坐标，将其绕A点顺时针旋转角度β生成G_i(X″_i，Y″_i)；

$\left\{\begin{array}{c}{X}_i^{\′\′}=X_m+(X_i-X_m)\×\cos (-\mathrm{\β})-(Y_i-Y_m)\×\sin (-\mathrm{\β})\\ Y_i^{\′\′}=Y_m+(Y_i-Y_m)\×\cos (-\mathrm{\β})+(X_i-X_m)\×\sin (-\mathrm{\β})\end{array}---\left(3\right)\right.$

步骤17，重复上述步骤12到16，直至每一要素处理完毕后，保存伪装后的数据文件，并将原始密钥信息M及角度值β存入密钥文件key；

(2)还原过程：

步骤21，从密钥文件key中读取角度值β及随机序列信息M＝{M_i}，其中i＝0，1，…，n-1；

步骤22，打开一个线面类型GIS矢量数据文件，依次读取每一要素的空间数据，获取各个要素中坐标点的个数m并判断所述要素是否需进行进一步处理：

i)若m＞＝n，则按照

将前n×L个坐标点分为L组，转入下一个步骤进行处理；

ii)若m＜n，则本要素不进行数据还原处理；

步骤23，对要素F中的每一分组F_j，根据密钥循环从分组F_j中筛选需要进行处理的数据对，其中j＝0，1，…，L-1，筛选规则为：

i)如果M_i＝1或i＝0或i＝n-1，则该分组F_j中第i个点G_i作为控制点不进行处理；

ii)如果M_i＝0且i≠0且i≠n-1，则该分组F_j中第i个点G_i转入下一个步骤进行处理；

步骤24，判断点G_i是否需要进行还原处理

a)查找与点G_i(X″_i，Y″_i)相邻的左右两个控制点A(X_m，Y_m)、B(X_n，Y_n)；

b)以A点、G_i点为端点，生成向量

(X″_i-X_m，Y″_i-Y_m)，以A点、B点为端点，生成向量

(X_n-X_m，Y_n-Y_m)；

c)计算向量和

的夹角θ′；

d)根据θ′值判断是否进行下一步还原处理，规则为：

i)如果

则G_i不处理；

ii)如果θ′∈(0，β)∪(β，2β)则G_i转入下一个步骤进行处理；

步骤25，判断向量

和的左右关系并设置标志值flag

a)按下式将G_i(X″_i，Y″_i)绕A点逆时针旋转角度θ′生成临时点T′_i(X′_ti，Y′_ti)；

$\left\{\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{ti}}^{\′}=X_m+(X_i^{\′\′}-X_m)\×\cos {\mathrm{\θ}}^{\′}-(Y_i^{\′\′}-Y_m)\×{\sin \mathrm{\θ}}^{\′}\\ Y_{\mathrm{ti}}^{\′}=Y_m+(Y_i^{\′\′}-Y_m)\×{\cos \mathrm{\θ}}^{\′}+(X_i^{\′\′}-X_m)\×{\sin \mathrm{\θ}}^{\′}\end{array}\right.---\left(4\right)$

b)计算旋转后的向量

和

的夹角，如果夹角为0，则表明初始状态下向量

在

的右侧，设flag为false，否则向量

在

的左侧设flag为true；

步骤26，利用角度旋转方法对G_i进行还原，根据

与

的夹角θ′及flag值做以下处理：

i)如果θ′∈(0，β)且flag为true，或者θ′∈(β，2β)且flag为false，利用下式将G_i绕A点逆时针旋转角度β还原成G_i(X_i，Y_i)；

$\left\{\begin{array}{c}{X}_i=X_m+(X_i^{\′\′}-X_m)\×\cos \mathrm{\β}-(Y_i^{\′\′}-Y_m)\×\sin \mathrm{\β}\\ Y_i=Y_m+(Y_i^{\′\′}-Y_m)\×\cos \mathrm{\β}+(X_i^{\′\′}-X_m)\×\sin \mathrm{\β}\end{array}\right.---\left(5\right)$

ii)如果θ′∈(0，β)且flag为false，或者θ′∈(β，2β)且flag为true，利用下式将G_i绕A点顺时针旋转角度β还原成G_i(X_i，Y_i)；

$\left\{\begin{array}{c}{X}_i=X_m+(X_i^{\′\′}-X_m)\×\cos (-\mathrm{\β})-(Y_i^{\′\′}-Y_m)\×\sin (-\mathrm{\β})\\ Y_i=Y_m+(Y_i^{\′\′}-Y_m)\×\cos (-\mathrm{\β})+(X_i^{\′\′}-X_m)\×\sin (-\mathrm{\β})\end{array}\right.---\left(3\right)$

步骤27，重复上述步骤22到26，直至每一要素处理完毕后，保存还原后的数据文件。

本发明根据GIS矢量数据的数据组织特点，提出了一种针对线面类型GIS矢量数据的伪装与还原方法，在秘密图层中随机选择要素中的点进行秘密信息的伪装与还原，通过本发明的方法能够避免涉密数据在远程传输过程中被非法拦截，有效提高了GIS矢量数据在数据传输、发行过程中的安全性，从而达到一定的数据保护目的。

附图说明

图1是本发明方法的数据伪装流程图。

图2是本发明方法的数据还原流程图。

图3是本发明的原理图。

图4是本发明实施例选取的实验数据。

图5是本发明实施例伪装后的数据效果图。

图6是本发明实施例的原始数据与伪装后数据叠加的局部效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例做进一步详细说明。

本实施例选择典型的shp格式矢量数据，针对数据的读取、伪装、还原的整个过程，进一步详细说明本发明。本实施例选择全国1∶400万的省界线图层数据(图4)作为实验数据，原始随机序列设为“10011100101001010011”。

(1)伪装过程：

步骤11：设置一个二进制格式的随机序列“10011100101001010011”该随机序列的长度n为20。

步骤12：打开省界矢量数据文件，设置角度旋转值β＝40°；依次读取每一要素的空间数据，获取该要素中坐标点的个数m并判断该要素是否需进行伪装处理：

所读取第一个要素的坐标点个数为177，因为m＞n按照分成8组，转入步骤13进行处理。

步骤13：对要素F中的每一分组F_j，根据密钥循环从分组F_j中筛选需要进行处理的数据对，其中j＝0，1，…，L-1；i＝0，1，2，…，n-1。

本实施例中，8个分组中的第1，2，6，7，9，11，12，14，16，17个数据对需要进行进一步处理(下标从0开始记数)。

步骤14：判断G_i是否需要进行伪装处理。下面以第1组中的第2个数据对(121.500350952148，53.3138885498047)为例进行说明。

a)查找与数据对G_i(X_i，Y_i)相邻的左右两个控制点A(X_m，Y_m)、B(X_n，Y_n)。该实施例中，序列M的前4位为1001，因此与第2个点相邻的两个控制点分别为第0个点和第3个点，其值分别为A(121.488441467285，53.332649230957)和B(121.531600952148，53.3076477050781)。

b)以A点、G_i点为端点，生成向量

(0.01190948486328125，-0.01876068115234375)，以A点、B点为端点，生成向量(0.04315948486328125，-0.02500152587890625)。

c)计算向量

和的夹角θ为27.50922095。

d)θ∈(0，40)∪(40，80)因此转入下一步骤进行伪装处理。

步骤15：判断向量

和

的左右关系并设置标志值flag

a)根据公式(1)将G_i点绕控制点A逆时针旋转27.50922095度生成点T_i(121.507669820739，53.321510586045)。

b)计算旋转后向量

(0.019228353453499381，-0.011138644911994788)和

(0.04315948486328125，-0.02500152587890625)的夹角，结果为0，表明初始状态下，向量

在

右侧，设置flag为false。

步骤16，利用角度旋转方法对G_i进行伪装

由于θ∈(0，40)且flag值为false，因此利用公式(3)将G_i绕A点顺时针旋转40度生成G_i(121.485505528591，53.3106224461033)。

步骤17，重复上述步骤12到16，直至每一要素处理完毕后，保存伪装后的数据文件，并将原始密钥信息M及角度值β存入密钥文件key。

(2)还原过程：

步骤21：从密钥文件key中读取角度值β＝40°及随机序列信息M＝{1，0，0，1，1，1，0，0，1，0，1，0，0，1，0，1，0，0，1，1}。

步骤22：打开省界矢量数据文件，依次读取每一要素的空间数据，获取该要素中坐标点的个数m并判断该要素是否需进行处理：

所读取第一个要素的坐标点个数为177，因为m＞n按照

分成8组，转入步骤23进行处理。

步骤23：对要素F中的每一分组F_j，根据密钥循环从分组F_j中筛选需要进行处理的数据对，其中j＝0，1，…，L-1；i＝0，1，2，…，n-1。

本实施例中，8个分组中的第1，2，6，7，9，11，12，14，16，17个数据对需要进行下一步处理(下标从0开始记数)。

步骤24：判断G_i是否需要进行还原处理。下面以第1组中的第2个数据对(121.485505528591，53.3106224461033)为例进行说明。

a)查找与数据对G_i(X″_i，Y″_i)相邻的左右两个控制点A(X_m，Y_m)、B(X_n，Y_n)。该实施例中，序列M的前4位为1001，因此与第2个点相邻的两个控制点分别为第0个点和第3个点，其值分别为A(121.488441467285，53.332649230957)和B(121.531600952148，53.3076477050781)。

b)以A点、G_i点为端点，生成向量

(-0.0029359386940939203，-0.022026784853736103)，以A点、B点为端点，生成向量

(0.04315948486328125，-0.02500152587890625)。

c)计算向量

和的夹角θ′为67.50922095。

d)θ′∈(0，40)∪(40，80)因此转入下一步骤进行还原处理。

步骤25：判断向量

和的左右关系并设置标志值flag

c)根据公式(4)将G_i点绕控制点A逆时针旋转67.50922095度生成点T′_i(121.507669820739，53.321510586045)；

d)计算旋转后向量

(0.019228353453513591，-0.011138644911987683)和

(0.04315948486328125，-0.02500152587890625)的夹角为0，表明初始向量

在

右侧，设置flag为false。

步骤26，利用角度旋转方法对G_i进行还原

由于θ′∈(40，80)且flag值为false，因此利用公式(5)将G_i绕A点逆时针旋转40度还原成原始点G_i(121.500350952148，53.3138885498047)。

步骤27，重复上述步骤22到26，直至每一要素处理完毕后，保存还原后的数据文件。

由上述实施例的效果图(图5、图6)可知：数据经伪装处理后，虽仍为正确的shp数据，但由于坐标点位置发生了变化，伪装后的图层数据发生了较大变化，对于数据精度质量要求较高的GIS矢量数据来说，这一处理显著降低了数据质量和数据使用价值，限制了非法拷贝或拦截数据的正常使用，达到一定的数据保护目的。只有合法用户获取到密钥文件，才能正确、无误地还原数据。

本发明实施例中仅以线图层数据进行数据伪装与还原处理，该方法也可以适用于面图层数据。本发明实施例中仅以shp格式的GIS矢量数据进行数据伪装与还原处理，该方法也适用于GML、E00、MIF等其它格式GIS矢量数据的数据伪装与还原处理。

Claims (1)

1.基于夹角变换的线面类型GIS矢量数据伪装与还原方法，包括以下过程：

(1)伪装过程：

步骤11，设置一个二进制格式的长度为n的随机序列信息M＝{M_i}，其中i＝0，1，…，n-1；

步骤12，打开一个线面类型GIS矢量数据文件，根据伪装要求，设置角度旋转值β，β＜45°；依次读取文件中每一要素的空间数据，获取各个要素中坐标点的个数m并判断所述要素是否需进行伪装处理：

i)若m＞＝n，则按照

将前n×L个坐标点分为L组，转入下一个步骤进行处理；

ii)若m＜n，则对所述要素不进行数据伪装处理；

步骤13，对要素F中的每一分组F_j，根据密钥循环从分组F_j中筛选需要进行处理的数据对，其中j＝0，1，…，L-1，筛选规则为：

i)如果M_i＝1或i＝0或i＝n-1，则该分组F_j中第i个点G_i作为控制点不进行处理；

ii)如果M_i＝0且i≠0且i≠n-1，则该分组F_j中第i个点G_i转入下一个步骤进行处理；

步骤14，判断点G_i是否需要进行伪装处理

a)查找与点G_i(X_i，Y_i)相邻的左右两个控制点A(X_m，Y_m)、B(X_n，Y_n)；

b)以A点、G_i点为端点，生成向量(X_i-X_m，Y_i-Y_m)，以A点、B点为端点，生成向量

(X_n-X_m，Y_n-Y_m)；

c)计算向量

和

的夹角θ；

d)根据θ值判断是否进行下一步伪装处理，规则为：

i)如果

则G_i不处理；

ii)如果θ∈(0，β)∪(β，2β)则G_i转入下一个步骤进行处理；

步骤15，判断向量

和

的左右关系并设置标志值flag

a)按下式将G_i绕A点逆时针旋转角度θ生成临时点T_i(X_ti，Y_ti)；

$\left\{\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{ti}}=X_m+(X_i-X_m)\×\cos \mathrm{\θ}-(Y_i-Y_m)\×\sin \mathrm{\θ}\\ Y_{\mathrm{ti}}=Y_m+(Y_i-Y_m)\×\cos \mathrm{\θ}+(X_i-X_m)\×\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(\text{1}\right)$

b)计算旋转后的向量

和

的夹角，如果夹角为0，则表明初始状态下向量

在

的右侧，设flag为false；否则向量

在

的左侧，设flag为true；

步骤16，利用角度旋转方法对G_i进行伪装，根据与

的夹角θ及flag值做以下处理：

i)如果θ∈(0，β)且flag为true，或者θ∈(β，2β)且flag为false，利用下式修改G_i点坐标，将其绕A点逆时针旋转角度β生成G_i(X″_i，Y″_i)；

$\left\{\begin{array}{c}{X}_i^{\′\′}=X_m+(X_i-X_m)\×\cos \mathrm{\β}-(Y_i-Y_m)\×\sin \mathrm{\β}\\ Y_i^{\′\′}=Y_m+(Y_i-Y_m)\×\cos \mathrm{\β}+(X_i-X_m)\×\sin \mathrm{\β}\end{array}\right.---\left(2\right)$

ii)如果θ∈(0，β)且flag为false，或者θ∈(β，2β)且flag为true，利用下式修改G_i点坐标，将其绕A点顺时针旋转角度β生成G_i(X″_i，Y″_i)；

$\left\{\begin{array}{c}{X}_i^{\′\′}=X_m+(X_i-X_m)\×\cos (-\mathrm{\β})-(Y_i-Y_m)\×\sin (-\mathrm{\β})\\ Y_i^{\′\′}=Y_m+(Y_i-Y_m)\×\cos (-\mathrm{\β})+(X_i-X_m)\×\sin (-\mathrm{\β})\end{array}---\left(3\right)\right.$

步骤17，重复上述步骤12到16，直至每一要素处理完毕后，保存伪装后的数据文件，并将原始密钥信息M及角度值β存入密钥文件key；

(2)还原过程：

步骤21，从密钥文件key中读取角度值β及随机序列信息M＝{M_i}，其中i＝0，1，…，n-1；

步骤22，打开一个线面类型GIS矢量数据文件，依次读取每一要素的空间数据，获取各个要素中坐标点的个数m并判断所述要素是否需进行进一步处理：

i)若m＞＝n，则按照

将前n×L个坐标点分为L组，转入下一个步骤进行处理；

ii)若m＜n，则本要素不进行数据还原处理；

步骤23，对要素F中的每一分组F_j，根据密钥循环从分组F_j中筛选需要进行处理的数据对，其中j＝0，1，…，L-1，筛选规则为：

i)如果M_i＝1或i＝0或i＝n-1，则该分组F_j中第i个点G_i作为控制点不进行处理；

ii)如果M_i＝0且i≠0且i≠n-1，则该分组F_j中第i个点G_i转入下一个步骤进行处理；

步骤24，判断点G_i是否需要进行还原处理

a)查找与点G_i(X″_i，Y″_i)相邻的左右两个控制点A(X_m，Y_m)、B(X_n，Y_n)；

b)以A点、G_i点为端点，生成向量

(X″_i-X_m，Y″_i-Y_m)，以A点、B点为端点，生成向量

(X_n-X_m，Y_n-Y_m)；

c)计算向量

和的夹角θ′；

d)根据θ′值判断是否进行下一步还原处理，规则为：

i)如果

则G_i不处理；

ii)如果θ′∈(0，β)∪(β，2β)则G_i转入下一个步骤进行处理；

步骤25，判断向量

和

的左右关系并设置标志值flag

a)按下式将G_i(X″_i，Y″_i)绕A点逆时针旋转角度θ′生成临时点T′_i(X′_ti，Y′_ti)；

$\left\{\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{ti}}^{\′}=X_m+(X_i^{\′\′}-X_m)\×\cos {\mathrm{\θ}}^{\′}-(Y_i^{\′\′}-Y_m)\×{\sin \mathrm{\θ}}^{\′}\\ Y_{\mathrm{ti}}^{\′}=Y_m+(Y_i^{\′\′}-Y_m)\×{\cos \mathrm{\θ}}^{\′}+(X_i^{\′\′}-X_m)\×{\sin \mathrm{\θ}}^{\′}\end{array}\right.---\left(4\right)$

b)计算旋转后的向量

和

的夹角，如果夹角为0，则表明初始状态下向量

在

的右侧，设flag为false，否则向量

在

的左侧设flag为true；

步骤26，利用角度旋转方法对G_i进行还原，根据

与的夹角θ′及flag值做以下处理：

i)如果θ′∈(0，β)且flag为true，或者θ′∈(β，2β)且flag为false，利用下式将G_i绕A点逆时针旋转角度β还原成G_i(X_i，Y_i)；

$\left\{\begin{array}{c}{X}_i=X_m+(X_i^{\′\′}-X_m)\×\cos \mathrm{\β}-(Y_i^{\′\′}-Y_m)\×\sin \mathrm{\β}\\ Y_i=Y_m+(Y_i^{\′\′}-Y_m)\×\cos \mathrm{\β}+(X_i^{\′\′}-X_m)\×\sin \mathrm{\β}\end{array}\right.---\left(5\right)$

ii)如果θ′∈(0，β)且flag为false，或者θ′∈(β，2β)且flag为true，利用下式将G_i绕A点顺时针旋转角度β还原成G_i(X_i，Y_i)；

$\left\{\begin{array}{c}{X}_i=X_m+(X_i^{\′\′}-X_m)\×\cos (-\mathrm{\β})-(Y_i^{\′\′}-Y_m)\×\sin (-\mathrm{\β})\\ Y_i=Y_m+(Y_i^{\′\′}-Y_m)\×\cos (-\mathrm{\β})+(X_i^{\′\′}-X_m)\×\sin (-\mathrm{\β})\end{array}\right.---\left(6\right)$

步骤27，重复上述步骤22到26，直至每一要素处理完毕后，保存还原后的数据文件。

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