CN102799837A - 基于插值预测的线面类型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插值预测方法进行线面类型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；基于密钥选择点对进行插值处理，并根据插值前后的数据差值进行相应的伪装；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

基于插值预测的线面类型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，具体涉及一种基于插值预测方法进行线面类型GIS矢量数据伪装与还原的方法。

背景技术

目前，信息隐藏已成为信息安全研究中除密码学之外的另一重要分支，而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。信息伪装与数字水印在信息隐藏技术十余年的发展史中一直是研究的两大热点，但由于商业利益驱动，数字水印技术发展更为成熟，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：基于插值预测方法，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主要包括以下过程：(1)伪装过程：

步骤一，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；

步骤二，打开一个线面类型GIS矢量数据文件，确定该图层的冗余数据起始位，并由此确定冗余位的取值范围(min，max)，根据伪装要求，在区间[max，1000max]中选择阈值T；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：

(a)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；

(b)若m＜n，则本要素不进行数据伪装处理；

步骤三，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＝0，2，…，n-1，筛选规则为：

i)如果M_i＝1或i＝0或i＝n-1，则该位置的点G_i作为控制点不处理；

ii)如果M_i＝0且i≠0且i≠n-1，则该位置的点G_i转入下一个步骤进行处理；

步骤四，对G_i进行插值处理

对需要处理的数据对G_i(X_i，Y_i)，查找与其相邻的左右两个控制点A(X_m，Y_m)、B(X_n，Y_n)，按下式对其横坐标进行插值处理，生成新的数据对G_i′(X_i′，Y_i)：

$\left\{\begin{array}{cc}{X}_i^{\′}=(Y_i-Y_m)\×\frac{X_m-X_n}{Y_m-Y_n}+X_m& (Y_m\≠Y_n)\\ X_i^{\′}=\frac{X_m+X_m}{2}& (Y_m=Y_n)\end{array}\right.---\left(1\right)$

步骤五，根据插值前后的数据G_i与G_i′对G_i进行伪装处理

(a)取G_i中的横坐标X_i与G′_i中的横坐标X′_i进行如下处理计算差值的绝对值diff：

diff＝|X_i-X′_i|                            (2)

(b)依据下式将G_i中的横坐标X_i修改为X″_i

步骤六，重复上述步骤二到五，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及阈值T存入密钥文件；

(2)还原过程：

步骤一，打开密钥文件，读取阈值T与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；

步骤二，打开一个伪装后的GIS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还原处理：

(a)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；

(b)若m＜n，则本要素不进行数据还原处理；

步骤三，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，…，n-1，筛选规则为：

i)如果M_i＝1或i＝0或i＝n-1，则该位置的点G_i作为控制点不处理；

ii)如果M_i＝0且i≠0且i≠n-1，则该位置的点G_i转入下一个步骤进行处理；

步骤四，对G_i进行插值处理

对需要处理的数据对G_i(X″_i，Y_i)，查找与其相邻的左右两个控制点A(X_m，Y_m)、B(X_n，Y_n)，按公式(1)对其横坐标进行插值处理，生成新数据对G′_i(X′_i，Y_i)；

步骤五，根据插值前后的数据G_i与G_i′对G_i进行还原处理

(a)取G_i中的横坐标X_i与G′_i中的横坐标X′_i根据下式计算差值的绝对值diff′：

diff′＝|X″_i-X′_i|                (4)

(b)依据下式将G_i中的横坐标X″_i还原为X_i

步骤六，重复上述还原过程的步骤二到五，直至每一要素处理完毕后，保存还原后的数据文件。

本发明的伪装过程和还原过程，同样适用于对数据纵坐标的处理，或者同时对数据的横坐标、纵坐标进行处理。

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是本发明实施例选取的实验数据。

图4是本发明实施例的原始数据局部效果图。

图5是本发明实施例的伪装数据局部效果图。

图6是图5效果图的边缘局部放大图。

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(如图3)作为实验数据，原始随机序列设为“10011100101001010011”。(1)伪装过程：

步骤一：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。

步骤二：打开省界矢量数据文件，确定该图层的冗余数据起始位为小数点后第三位，并由此确定冗余位的取值范围为(0.001，0.01)，在区间(0.01，10)取阈值T＝1。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，转入步骤三进行处理。

步骤三：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＝0，2，…，n-1。

本实施例中，8个分组中的第2，3，7，8，10，12，13，15，17，18个数据对需要进行伪装处理。

步骤四：对G_i进行插值处理。下面以第1组中的第3个数据对(121.500350952148，53.3138885498047)为例进行说明。

对需要处理的数据对G_i(X_i，Y_i)，查找与其相邻的左右两个控制点A(X_m，Y_m)、B(X_n，Y_n)，按公式(1)对其横坐标进行插值处理，生成新的数据对G_i′(X_i′，Y_i)。

该实施例中，与其相邻的两个控制点分别为第一个点和第四个点，其值分别为(121.488441467285，53.332649230957)和(121.531600952148，53.3076477050781)，根据公式(1)进行插值得到点G_i′为(121.520827543965，53.3138885498047)。

步骤五：根据插值前后的数据G_i与G_i′对G_i进行伪装处理

(a)取G_i中的横坐标121.500350952148与G′_i中的横坐标121.520827543965按公式(2)计算diff为0.020476591816247947

(b)依据公式(3)对G_i的横坐标进行修改，得到伪装过的坐标值对(121.479874360332，53.3138885498047)

步骤六：重复步骤二到五，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及阈值0.1存入密钥文件。

(2)还原过程：

步骤一：打开密钥文件，读取阈值1与二进制格式的长度为n的随机序列信息“10011100101001010011”。

步骤二：打开伪装后的省界矢量数据文件，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还原处理。

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，转入下一步骤三进行处理。

步骤三：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＝0，2，…，n-1。

本实施例中，8个分组中的第2，3，7，8，10，12，13，15，17，18个数据对需要进行还原处理。

步骤四：对G_i进行插值处理。下面以第1组中的第3个数据对(121.479874360332，53.3138885498047)为例进行说明。

对需要处理的数据对G_i(X″_i，Y_i)，查找与其相邻的左右两个控制点A(X_m，Y_m)、B(X_n，Y_n)，按公式(1)对其横坐标进行插值处理，生成新的数据对G_i′(X_i′，Y_i)。

该实施例中，与其相邻的两个控制点分别为第一个点和第四个点，其值分别为(121.488441467285，53.332649230957)和(121.531600952148，53.3076477050781)，根据公式(1)进行插值得到点G_i′为(121.520827543965，53.3138885498047)。

步骤五：根据插值前后的数据G_i与G_i′对G_i进行还原处理

(a)取G_i中的横坐标121.479874360332与G′_i中的横坐标121.520827543965按公式(4)计算diff为0.040953183632495893。

(b)依据公式(5)对G_i的横坐标进行修改，得到还原的坐标值对(121.500350952148，53.3138885498047)

步骤六：重复还原过程的步骤二到五，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shp格式的线图层数据的横坐标进行数据伪装与还原处理，该方法也可以适用于针对纵坐标进行数据伪装与还原处理。该方法也可以同时对横坐标、纵坐标进行数据伪装与还原处理。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、EOO、MIF等其它格式GIS矢量数据的数据伪装与还原处理。

Claims (1)

1.基于插值预测的线面类型GIS矢量数据伪装与还原方法，主要包括以下过程：

(1)伪装过程：

步骤一，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；

步骤二，打开一个线面类型GIS矢量数据文件，确定该图层的冗余数据起始位，并由此确定冗余位的取值范围(min，max)，根据伪装要求，在区间[max，1000max]中选择阈值T；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：

(a)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；

(b)若m＜n，则本要素不进行数据伪装处理；

步骤三，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＝0，2，…，n-1，筛选规则为：

i)如果M_i＝1或i＝0或i＝n-1，则该位置的点G_i作为控制点不处理；

ii)如果M_i＝0且i≠0且i≠n-1，则该位置的点G_i转入下一个步骤进行处理；

步骤四，对G_i进行插值处理

对需要处理的数据对G_i(X_i，Y_i)，查找与其相邻的左右两个控制点A(X_m，Y_m)、B(X_n，Y_n)，按下式对其横坐标进行插值处理，生成新的数据对G_i′(X_i′，Y_i)：

$\left\{\begin{array}{cc}{X}_i^{\′}=(Y_i-Y_m)\×\frac{X_m-X_n}{Y_m-Y_n}+X_m& (Y_m\≠Y_n)\\ X_i^{\′}=\frac{X_m+X_m}{2}& (Y_m=Y_n)\end{array}\right.---\left(1\right)$

步骤五，根据插值前后的数据G_i与G_i′对G_i进行伪装处理

(a)取G_i中的横坐标X_i与G′_i中的横坐标X′_i进行如下处理计算差值的绝对值diff：

diff＝|X_i-X′_i|              (2)

(b)依据下式将G_i中的横坐标X_i修改为X″_i

步骤六，重复上述步骤二到五，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及阈值T存入密钥文件；

(2)还原过程：

步骤一，打开密钥文件，读取阈值T与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；

步骤二，打开一个伪装后的GIS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还原处理：

(a)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；

(b)若m＜n，则本要素不进行数据还原处理；

步骤三，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，…，n-1，筛选规则为：

i)如果M_i＝1或i＝0或i＝n-1，则该位置的点G_i作为控制点不处理；

ii)如果M_i＝0且i≠0且i≠n-1，则该位置的点G_i转入下一个步骤进行处理；

步骤四，对G_i进行插值处理

对需要处理的数据对G_i(X″_i，Y_i)，查找与其相邻的左右两个控制点A(X_m，Y_m)、B(X_n，Y_n)，按公式(1)对其横坐标进行插值处理，生成新数据对G′_i(X′_i，Y_i)；

步骤五，根据插值前后的数据G_i与G_i′对G_i进行还原处理

(a)取G_i中的横坐标X_i与G′_i中的横坐标X′_i根据下式计算差值的绝对值diff′：

diff′＝|X″_i-X′_i|             (4)

(b)依据下式将G_i中的横坐标X″_i还原为X_i

步骤六，重复上述还原过程的步骤二到五，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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