CN102651059B - 一种基于多元空间特征的gis矢量数据版权认证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多元空间特征的GIS矢量数据版权认证方法，涉及地理信息版权保护领域，通过提取原始数据中空间实体的质心和顶点个数，结合计算出阈值，在认证时根据顶点个数选择匹配点对，然后基于质心计算出的平均距离和方位角，求得待检测数据和原始数据的相似度，最后与阈值比较进行版权认证。此种版权认证方法，不会损害原始数据的精度，具有良好的可扩展性，较好的鲁棒性。

Description

一种基于多元空间特征的GIS矢量数据版权认证方法

技术领域

本发明属于地理信息版权保护领域，具体涉及一种基于多元空间特征的GIS矢量数据版权认证方法。

背景技术

Internet / Intranet的飞速发展, 在为数据共享提供了快捷传播通道的同时, 使得数据产品的非法、侵权使用日益猖獗。生产成本高昂、精度高, 与社会经济发展和国防安全大局息息相关的GIS矢量数据产品, 其版权保护问题影响深远、意义重大。

以数字水印为代表的版权标记技术, 是目前GIS矢量数据版权保护使用的主要方法。数字水印算法应当具有鲁棒性、不可感知性等特征。鲁棒性要求原始数据尽可能多包含版权标记，而不可感知性要求尽可能少的改变原始数据。目前大部分数字水印算法都需在宿主信息中嵌入水印信息，因此，水印的鲁棒性不仅要受到嵌入容量的限制，还不可避免的要与不可感知性发生冲突。为了解决二者之间的矛盾，有专家学者提出“提取数字产品的重要特征来构造版权标记，但不修改原数字产品任何数据”的思想。本发明基于上述研究思想，提出构造多元空间特征实现GIS矢量数据中线、面图层的版权认证，算法本身的非嵌入性，满足了不可感知性的要求，同时，算法具有较好的鲁棒性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于多元空间特征的GIS矢量数据版权认证方法，其不会损害原始数据的精度，具有良好的可扩展性，较好的鲁棒性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于多元空间特征的GIS矢量数据版权认证方法，包括下列步骤：

（1）提取原始数据P所有空间实体的质心坐标（X，Y）和顶点个数n，形成序列S {X₁，Y₁，V₁；X₂，Y₂，V₂；……；X_N，Y_N，V_N}；

（2）求取阈值，步骤如下：

(ⅰ)根据原始数据P，取出所包含的空间实体个数N；

(ⅱ)依次遍历N个空间实体，取出每一个空间实体的顶点个数，构成集合{C}，并得到所遍历空间实体的顶点个数最大值Cmax、最小值Cmin；

(ⅲ)依次遍历N个空间实体，取出每一个空间实体的质心坐标，构成集合{（X，Y）}，并得到所遍历空间实体的质心坐标集合中X和Y的最大、最小值Xmax、Xmin、Ymax、Ymin；

(ⅳ)根据顶点个数的最大值Cmax、最小值Cmin和质心坐标X和Y的最大、最小值Xmax、Xmin、Ymax、Ymin，随机生成同样包含N个空间实体的新图层数据，并确保每一个随机创建的空间实体符合两个条件：①质心坐标（Xi,Yi)满足Xmin﹤Xi﹤Xmax，Ymin﹤Yi﹤Ymax；②顶点个数Ci满足Cmin﹤Ci﹤Cmax,其中，0≤i﹤N；

(ⅴ)循环第(ⅳ)步骤M次得到M个新图层数据Di，其中，0≤i﹤M；

(ⅵ)依次计算新图层Di与原始数据P的相似度Dis，取出最大相似度值作为阈值；

（3）生成完整的多元空间特征序列K，K为{ X₁，Y₁，V₁；……；X_N，Y_N，V_N；阈值}，利用压缩编码技术将其压缩；

（4）对待检测数据进行版权认证，其步骤如下：

(ⅰ)根据序列K提取原始数据P所有的顶点个数P_COUNTS、ID号P_ID，提取待检测数据T所有的顶点个数T_COUNTS、ID号T_ID；

(ⅱ)从（ⅰ）所提取的顶点个数和ID号中选取两对匹配点对P_ID1、P_COUNTS1、T_ID1、T_COUNTS1和P_ID2、P_COUNTS2、T_ID2、T_COUNTS2，使P_COUNTS1与T_COUNTS1唯一且相等或最接近（首先选择相等的，如果没有相等的，则选择最接近的），使P_COUNTS2与T_COUNTS2唯一且相等或最接近（首先选择相等的，如果没有相等的，则选择最接近的）； 

(ⅲ)根据质心计算空间实体P_ID1和P_ID2间的平均距离M1和方位角A1，计算T_ID1和T_ID2间的平均距离M2和方位角A2；

(ⅳ)计算原始数据P中ID号为P_ID1的空间实体和其他空间实体间的平均距离和方位角，获得组A；计算待测数据T中ID号为T_ID1的空间实体和其他空间实体间的平均距离和方位角，获得组B；通过以下对比方法，利用下面公式计算待测数据T与原始数据P的相似度Dis；  

 

其中，equalf（A,Bi)：基于M1、M2、A1、A2将B组中的平均距离Bmi和方位角Bai与A组中的数值进行比对，对比结果为0或1；

∑：对比结果中记录为1的总个数；

n：B组记录总数；

equalf（A,Bi)所述对比方法为：

1）直接将Bi与A组中数值进行循环比对，平均距离与方位角都相同，该项记录结果为1，在A组中剔除此项，构成新的队列继续进行下轮对比；如果没有循环查找出平均距离和方位角都相同的项，记录结果为0；

2）Bai+A1-A2与A组中数值进行循环比对，Bai+A1-A2与A组中某项的方位角相同，继续将Bmi与A组中该项的平均距离比对，如果也相同，记录结果为1，在A组中剔除此项，构成新的队列继续进行下轮对比；如果按照本算法，没有循环查找出平均距离和方位角都相同的项，记录结果为0；

3）Bai与A组中数值进行循环比对，Bai与A组中某项的方位角相同，继续将Bmi×M1÷M2与A组中该项的平均距离比对，如果也相同，记录结果为1，在A组中剔除此项，构成新的队列继续进行下轮对比；如果按照本算法，没有循环查找出平均距离和方位角都相同的项，记录结果为0； 

4）Bmi×M1÷M2，Bai+A1-A2与A组中数值进行循环比对，Bmi×M1÷M2、 Bai+A1-A2分别与A组中的距离、方位角都相同，记录结果为1，在A组中剔除此项，构成新的队列继续进行下轮对比；如果按照本算法，没有循环查找出平均距离和方位角都相同的项，记录结果为0； 

选取上述对比方法中的最大值，根据所述公式确定Dis的最终结果；

(ⅴ)Dis大于等于阈值则认证成功，Dis小于阈值则认证失败。

本发明带来的有益效果为：（1）具有非嵌入性，即提取数据的特征构造多元空间特征，而不是在原始数据中嵌入水印，从而不会对原始数据的精度造成任何影响。

（2）具有良好的可扩展性，可以在多元空间特征的生成与认证过程中，添加新的空间特征，构成更为广义的多元。

（3）具有较好的鲁棒性，即版权认证算法能较好的抵制面对GIS矢量数据线、面图层的平移、旋转、缩放、裁剪、编辑（修改）、调序、格式转换、坐标变换等诸多攻击。

附图说明

图1是本版权认证方法的流程图；

图2是本发明中确定阈值的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1、图2所示，一种基于多元空间特征的GIS矢量数据版权认证方法，包括下列步骤：

（1）提取原始数据P空间实体的质心坐标（X，Y）和顶点个数n，形成序列S  {X₁，Y₁，V₁；X₂，Y₂，V₂；……；X_N，Y_N，V_N}；其中，质心坐标保留1位小数，顶点个数为整数，如{2.1，3.9,20；13.7,16.9，15； ……；125.7, 278.8, 1250}

（2）求取阈值，步骤如下：

(ⅰ)首先根据原始数据P，取出所包含的空间实体个数N；

(ⅱ)依次遍历N个空间实体，取出每一个空间实体的顶点个数，构成集合{C}，并得到所遍历空间实体的顶点个数最大值Cmax、最小值Cmin；

(ⅲ)依次遍历N个空间实体，取出每一个空间实体的质心坐标，构成集合{（X，Y）}，并得到所遍历空间实体的质心坐标集合中X和Y的最大、最小值Xmax、Xmin、Ymax、Ymin；

(ⅳ)根据顶点个数的最大值Cmax、最小值Cmin和质心坐标X和Y的最大、最小值Xmax、Xmin、Ymax、Ymin，随机生成同样包含N个空间实体的新图层数据，并确保每一个随机创建的空间实体符合两个条件：①质心坐标（Xi,Yi)满足Xmin﹤Xi﹤Xmax，Ymin﹤Yi﹤Ymax；②顶点个数Ci满足Cmin﹤Ci﹤Cmax,其中，0≤i﹤N；

(ⅴ)循环第(ⅳ)步骤M次得到M个新图层数据Di，其中，0≤i﹤M；

(ⅵ)依次计算新图层Di与原始数据P的相似度Dis（计算方法参考版权认证算法中的详细步骤），取出最大相似度值作为阈值；为了进一步增强阈值的准确性，可以将实验获得的结果进行相应的放大。

（3）生成完整的多元空间特征序列K，K为{ X₁，Y₁，V₁；……；X_N，Y_N，V_N；阈值}，利用压缩编码技术将其压缩成较短的序列；

（4）对待检测数据进行版权认证，其步骤如下：

(ⅰ)根据序列K提取原始数据P所有的顶点个数P_COUNTS、ID号P_ID，提取待检测数据T所有的顶点个数T_COUNTS、ID号T_ID；共同构造顶点个数匹配表（表1），其中，ID为表中记录的唯一编号，根据各空间实体在多元空间特征序列K中的排列顺序生成（以1起头）；原始数据P与待检测数据T顶点个数匹配情况如表1所示：

表1  

 (ⅱ) 从（ⅰ）所提取的顶点个数和ID号中选取两对匹配点对P_ID1、P_COUNTS1、T_ID1、T_COUNTS1和P_ID2、P_COUNTS2、T_ID2、T_COUNTS2，使P_COUNTS1与T_COUNTS1唯一且相等或最接近，使P_COUNTS2与T_COUNTS2唯一且相等或最接近；优先选择顶点个数相同的，如果顶点个数都不相同，则选取顶点个数最接近的空间实体；并且顶点个数少的空间实体优先。

本实施例中，选取ID号为1和4的两对空间实体，实体对应的ID号分别为（2，5）和（17，3）。

(ⅲ)根据质心计算空间实体P_ID1和P_ID2间的平均距离M1和方位角A1，计算T_ID1和T_ID2间的平均距离M2和方位角A2；

本实施例中，根据质心计算空间实体2和17间的平均距离M1和方位角A1，计算5和3间的平均距离M2和方位角A2（抵制缩放、旋转、坐标转换攻击时使用）；

(ⅳ)计算原始数据P中ID号为P_ID1（本实施例中为2）的空间实体和其他空间实体间的平均距离和方位角，获得组A；计算待测数据T中ID号为T_ID1（本实施例中为5）的空间实体和其他空间实体间的平均距离和方位角，获得组B；通过以下对比方法，利用下面公式计算待测数据T与原始数据P的相似度Dis；  

 

其中，equalf（A,Bi)：基于M1、M2、A1、A2将B组中的平均距离Bmi和方位角Bai与A组中的数值进行比对，对比结果为0或1；

∑：对比结果中记录为1的总个数；

n：B组记录总数；

equalf（A,Bi)所述对比方法为：

1）直接将Bi与A组中数值进行循环比对，平均距离与方位角都相同，该项记录结果为1，在A组中剔除此项，构成新的队列继续进行下轮对比；如果没有循环查找出平均距离和方位角都相同的项，记录结果为0；

2）Bai+A1-A2与A组中数值进行循环比对，Bai+A1-A2与A组中某项的方位角相同，继续将Bmi与A组中该项的平均距离比对，如果也相同，记录结果为1，在A组中剔除此项，构成新的队列继续进行下轮对比；如果按照本算法，没有循环查找出平均距离和方位角都相同的项，记录结果为0；这种方法可抵制旋转攻击。 

3）Bai与A组中数值进行循环比对，Bai与A组中某项的方位角相同，继续将Bmi×M1÷M2与A组中该项的平均距离比对，如果也相同，记录结果为1，在A组中剔除此项，构成新的队列继续进行下轮对比；如果按照本算法，没有循环查找出平均距离和方位角都相同的项，记录结果为0；这种方法可抵制缩放攻击。 

4）Bmi×M1÷M2，Bai+A1-A2与A组中数值进行循环比对，Bmi×M1÷M2、 Bai+A1-A2分别与A组中的距离、方位角都相同，记录结果为1，在A组中剔除此项，构成新的队列继续进行下轮对比；如果按照本算法，没有循环查找出平均距离和方位角都相同的项，记录结果为0；这种方法可抵制缩放混合旋转攻击、坐标转换攻击。 

选取上述对比方法中的最大值，根据所述公式确定Dis的最终结果；

(ⅴ)Dis大于等于阈值则认证成功，Dis小于阈值则认证失败。

本发明通过分析对比GIS矢量数据几何特征、关系特征的相似性及抗GIS操作攻击能力，选取质心、顶点个数、平均距离、方位角生成多元空间特征。考虑到平均距离、方位角是由质心计算产生，仅提取图层中所有空间实体的质心和顶点个数，结合计算生成的阈值，利用编码技术、压缩技术将其转化成较短的多元空间特征序列。在认证时基于质心计算平均距离和方位角，利用顶点个数进行版权认证：首先利用顶点个数选择原始数据和待测数据的匹配点对，根据相对应的质心计算原始数据的平均距离M1和方位角A1，待测数据的平均距离M2和方位角A2，最终获取图层缩放比例M1÷M2和旋转角度A1-A2；再根据质心计算匹配点与其他空间实体间的距离和方位角，基于缩放比例和旋转角度计算原始数据和待测数据的相似度，当相似度大于给定的阈值则证明是版权数据。实验结果表明，算法对平移、旋转、缩放、裁剪、加噪、移动、调序、数据格式转换、坐标变换等攻击，具有较强的鲁棒性；由于匹配点对选取的不准确性导致算法对增加、删除、压缩攻击的鲁棒性不稳定；算法不能抵制投影变换攻击。

Claims (1)

1.一种基于多元空间特征的GIS矢量数据版权认证方法，其特征在于，包括下列步骤：

（1）提取原始数据P所有空间实体的质心坐标（X，Y）和顶点个数V，形成序列S {X₁，Y₁，V₁；X₂，Y₂，V₂；……；X_N，Y_N，V_N}；

（2）求取阈值，步骤如下：

(ⅰ)根据原始数据P，取出所包含的空间实体个数N；

(ⅱ)依次遍历N个空间实体，取出每一个空间实体的顶点个数，构成集合{C}，并得到所遍历空间实体的顶点个数最大值Cmax、最小值Cmin；

(ⅲ)依次遍历N个空间实体，取出每一个空间实体的质心坐标，构成集合{（X，Y）}，并得到所遍历空间实体的质心坐标集合中X和Y的最大、最小值Xmax、Xmin、Ymax、Ymin；

(ⅳ)根据顶点个数的最大值Cmax、最小值Cmin和质心坐标X和Y的最大、最小值Xmax、Xmin、Ymax、Ymin，随机生成同样包含N个空间实体的新图层数据，并确保每一个随机创建的空间实体符合两个条件：①质心坐标（Xi,Yi)满足Xmin﹤Xi﹤Xmax，Ymin﹤Yi﹤Ymax；②顶点个数Ci满足Cmin﹤Ci﹤Cmax,其中，0≤i﹤N；

(ⅴ)循环第(ⅳ)步骤M次得到M个新图层数据Di，其中，0≤i﹤M；

(ⅵ)依次计算新图层Di与原始数据P的相似度Dis，取出最大相似度值作为阈值；

（3）生成完整的多元空间特征序列K，K为{X₁，Y₁，V₁；……；X_N，Y_N，V_N；阈值}，利用压缩编码技术将其压缩；

（4）对待检测数据进行版权认证，其步骤如下：

(ⅰ)根据序列K提取原始数据P所有的顶点个数P_COUNTS、ID号P_ID，提取待检测数据T所有的顶点个数T_COUNTS、ID号T_ID； 

(ⅱ)从（ⅰ）所提取的顶点个数和ID号中选取两对匹配点对P_ID1、P_COUNTS1、T_ID1、T_COUNTS1和P_ID2、P_COUNTS2、T_ID2、T_COUNTS2，使P_COUNTS1与T_COUNTS1唯一且相等或最接近，使P_COUNTS2与T_COUNTS2唯一且相等或最接近； 

(ⅲ)根据质心计算空间实体P_ID1和P_ID2间的平均距离M1和方位角A1，计算T_ID1和T_ID2间的平均距离M2和方位角A2；

(ⅳ)计算原始数据P中ID号为P_ID1的空间实体和其他空间实体间的平均距离和方位角，获得组A；计算待测数据T中ID号为T_ID1的空间实体和其他空间实体间的平均距离和方位角，获得组B；通过以下对比方法，利用下面公式计算待测数据T与原始数据P的相似度Dis；  

 

其中，equalf（A,Bi)：基于M1、M2、A1、A2将B组中的平均距离Bmi和方位角Bai与A组中的数值进行比对，对比结果为0或1；

∑：对比结果中记录为1的总个数；

n：B组记录总数；

所述对比方法为：

1）直接将Bi与A组中数值进行循环比对，平均距离与方位角都相同，该项记录结果为1，在A组中剔除此项，构成新的队列继续进行下轮对比；如果没有循环查找出平均距离和方位角都相同的项，记录结果为0；

2）Bai+A1-A2与A组中数值进行循环比对，Bai+A1-A2与A组中某项的方位角相同，继续将Bmi与A组中该项的平均距离比对，如果也相同，记录结果为1，在A组中剔除此项，构成新的队列继续进行下轮对比；如果按照本算法，没有循环查找出平均距离和方位角都相同的项，记录结果为0；

3）Bai与A组中数值进行循环比对，Bai与A组中某项的方位角相同，继续将Bmi×M1÷M2与A组中该项的平均距离比对，如果也相同，记录结果为1，在A组中剔除此项，构成新的队列继续进行下轮对比；如果按照本算法，没有循环查找出平均距离和方位角都相同的项，记录结果为0； 

4）Bmi×M1÷M2，Bai+A1-A2与A组中数值进行循环比对，Bmi×M1÷M2、 Bai+A1-A2分别与A组中的距离、方位角都相同，记录结果为1，在A组中剔除此项，构成新的队列继续进行下轮对比；如果按照本算法，没有循环查找出平均距离和方位角都相同的项，记录结果为0； 

     选取上述对比方法中的最大值，根据所述公式确定Dis的最终结果；

(ⅴ)Dis大于等于阈值则认证成功，Dis小于阈值则认证失败。