CN103020544B - 一种shp线面图层数据层次加解密方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种shp线面图层数据层次加解密方法，包括如下过程：（1）针对线面图层数据的逐级加密及存储过程，包括各级密钥的生成、单调性分段、建立LOD模型、逐级加密及分级存储等步骤；(2) 针对线面图层数据的逐级解密及显示过程，包括解密密钥生成、逐级解密、层次显示等步骤。本发明的方法能有效兼顾矢量数据传输的速度和安全性，为海量地理空间数据的高效传输和安全访问提供有效的技术手段。

Description

一种shp线面图层数据层次加解密方法

技术领域

本发明公开了一种可用于渐进传输和数据安全分级调度的shp线面图层数据层次加解密方法，能够实现地理信息系统领域GIS矢量数据的高效快速传输和安全访问。

背景技术

GIS矢量数据因其具有高精度、海量、易存储、自动化处理以及无损缩放等传统纸质地图无法比拟的优点，应用范围极其广泛。然而，数字化存储的GIS矢量数据极易被篡改，造成严重后果。为此，需要寻找一种海量数据高效传输、安全访问的技术和方法，而混沌序列密码技术和LOD技术的集成，为这一问题的解决提供了可能。

序列密码具有实现简单、便于硬件实施、加解密速度快、低错误传播等优点，在数据的安全传输与存储中有着广泛的应用。LOD技术即层次细节技术，根据要素的重要程度将不同比例尺地图中的要素图层划分为不同的显示级，可实现海量地图的多尺度显示。

发明内容

本发明的目的在于：基于混沌序列密码技术、LOD技术及GIS矢量数据特点，提出了一种针对shp线面图层数据的层次加解密技术，从而能有效兼顾矢量数据传输的速度和安全性，为海量地理空间数据的高效传输和安全访问提供有效的技术手段。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案：

一种shp线面图层数据层次加解密方法，包括如下过程：

（一）针对线面图层数据的逐级加密及存储过程

步骤11：利用Hash函数的单向性构造具有分级的密钥链，将得到的各级hash值用来生成Logistic混沌系统的控制参数μ、初始值x₀和初始迭代次数N，再使用不同级别的密钥加密不同等级的资源，从而实现矢量数据的分级调度；各级密钥生成的具体方法如下：

a）输入密钥key或选择密钥文件keyfile；

b）利用Hash函数SHA-256算法对输入密钥文件进行处理，得到长度为256位的hash值H，输入用户需求的分级数l，根据公式（1）推导生成各级别hash值H_l；

H_l+1=Hash(H_l)，l=1,2,3...    （1）

c）将各级别H_l以字节为单位分为32组，每组的取值范围为0-255，将这32组数据用于生成各级别Logistic映射的控制参数μ_l、初始迭代次数N_l和初始值x_0l；

d）根据公式（2）Logistic方程，输入密钥[μ_l，x_0l]，对各级密钥进行初始迭代N_l次，以扩大Logistic映射的雪崩效应；

$x_{n+1}=\mathrm{\μ}*x_n-\mathrm{\μ}*x_n^2---\left(2\right)$

步骤12：选择要加密的线面图层数据R，获取线面图层数据R的相关信息：图层所含线要素个数lineNum、线要素编号lineID、线要素所含点个数pointNum、点要素坐标信息pX、pY、图层坐标范围X_min、X_max、Y_min和Y_max；

步骤13：判断每个线对象的单调性，记录单调性的转折点，并以转折点为断点，拆分成两个线对象，再继续判断转折点到末点的单调性，直到所有线对象满足单调；分析线对象的单调性以X轴为投影直线，对于有n点的折线L，若用X_j表示第j点的横坐标，若公式（3）成立，则定义第j点是L的单调点；否则，为非单调点；

(X_j-X_j-1)(X_j+1-X_j)>0(1<j<n)    （3）

定义当一条折线上的所有点满足公式（3）时，则称其为沿X轴单调的折线；否则，不是沿X轴单调的折线；假设按公式（3）所判别的折线上的非单调点个数为M，则它们可将折线分为M+1个单调子段；

步骤14：利用道格拉斯-普克算法建立线状要素LOD模型，对线面图层数据R进行分级：

即是对线面图层数据R中的实体要素进行分级，具体方法如下：用户设置各个要素级别的分级阈值T_l，对线面图层数据R分级，得到R={R_l|l=0,1,2,…}，R_l表示第l个级别的要素组，其中，R_l是内容互不重复的要素组，避免数据存储冗余；

步骤15：针对线面图层数据R进行逐级加密，具体方法如下：

a）设置指针指向图层的第一个要素的第一个点；

b）判断当前点的级别，选择对应级别密钥进行加密运算；

c）对混沌序列进行一次迭代，得到值x_pl，x_pl表示对第l级别的初始值x_0l经过初始迭代N_l次后再迭代p次后的值，并将其放大m倍，得到key_x，根据公式（4）用key_x对点的横坐标pX的整数部分p_x进行异或操作，得到异或后的点坐标p′_x，对于点的纵坐标pY的整数部分p_y，处理过程相同，得到p′_y；

p′_x=p_x∧key_x    （4）

p′_y=p_y∧key_y

其中，为了避免加密地图的分块现象，出现周期性，合理选择m的值以保证参与坐标异或运算的key_x尽量在地图坐标范围之外。

d）对得到的新坐标进行判断，是否超出图层坐标取值范围：

如果转换后的点的横坐标p′_x在[X_min，X_max]范围内，则不做任何处理；

如果转换后的点的横坐标p′_x<X_min，或者p′_x>X_max，则将其还原为原始坐标值，即p′_x=p_x。

对于转换后的纵坐标的整数部分p′_y，处理过程与横坐标p′_x的过程相同。

e）将新坐标值赋值给点对象，将点对象添加到对应线对象中；

f）若指针指向图层最后一个要素的最后一个点，则算法结束；若指针指向某一个要素的最后一个点，则指针指向下一个要素的第一个点，并跳回到步骤b）；否则指针指向下一个点，算法回跳到步骤b）；

步骤16：加密图层R^E的分级存储，具体方法如下：

将矢量数据存储到关系数据库中，关键是将地理要素集映射到关系数据库的表结构和关系模式上，每个级别的数据分层存放，将最概要的数据集存储在最底层，其他尺度数据则按递增的方式进行存储，即每层只存储比上层增加的对象信息，各个级别形成一个独立的二进制流；

（二）针对线面图层数据的逐级解密及显示过程

步骤21：根据数据显示请求的级别l，输入密钥key或选择密钥文件keyfile；

步骤22：根据上述过程（一）中步骤11的方法，生成该级别解密密钥:初始迭代次数N_l、

控制参数μ_l和初始值x_0l；

步骤23：解密该级要素：

a）设置指针指向该级图层的第一个要素的第一个点；

b）对混沌序列进行一次迭代，得到值x_pl，x_pl表示对第l级别的初始值x_0l经过初始迭代N_l次后再迭代p次后的值，并将其放大m倍，得到key_x，根据公式（5）用key_x对点的横坐标的整数部分p′_x进行异或操作，得到p_x，对于点的纵坐标的整数部分p′_y，处理过程相同，得到p_y；

p_x＝p′_x∧key_x    （5）

p_y=p′_y∧key_y

c）对得到的新坐标进行判断，是否超出图层坐标取值范围：

如果转换后的点的横坐标p_x在[X_min，X_max]范围内，则不做任何处理；

如果转换后的点的横坐标p_x<X_min，或者p_x>X_max，则将其还原为原始坐标值，即p_x=p′_x。

对于转换后纵坐标的整数部分p_y，处理过程与横坐标p_x的过程相同。

d）将新坐标值赋值给点对象，将点对象添加到对应线对象中；

e）若指针指向的该级数据最后一个要素的最后一个点，则算法结束；若指针指向某一个要素的最后一个点，则指针指向下一个要素的第一个点，并跳回到步骤b）；否则指针指向下一个点，算法回跳到步骤b）；

步骤24：线面图层数据的层次显示，具体方法如下：

用户请求数据显示时，首先检查本地缓存区的数据是否符合要求，如果缓存区数据级别cachedl大于请求的数据级别requestedl，则遍历缓存区中requestedl及其以下的数据；如果缓存区数据级别cachedl小于请求的数据级别requestedl，则遍历缓存区的数据，并请求传输从数据级别cachedl+1到数据级别requestedl的数据，逐级解密；如果数据显示请求为第一级即最概要信息，则直接读取显示该级解密后的要素信息；否则遍历缓存区每条线要素，逐一比较各级别点的横坐标值pX，实现解密后数据的有序显示。

本发明基于混沌序列密码技术、LOD技术及GIS矢量数据的特点，提出了一种可用于渐进传输和数据安全分级调度的shp线面图层数据层次加解密方法，实现了线面图层数据的逐级加密、存储、解密及自适应显示，可有效增强地理信息系统领域GIS矢量数据的高效快速传输和安全访问。

附图说明

图1是本发明技术中地图数据的层次加密流程图；

图2是本发明技术中地图数据的层次解密流程图；

图3是本发明技术中地图数据的加密存储结构；

图4是本发明技术中地图数据交互过程示意图；

图5是本发明实例采用的实验数据；

图6是本发明实例中实验数据分级效果图，其中图（a）是一级数据，图（b）是一、二级数据；

图7是本发明实施例中第一级别要素加解密效果图，其中图（a）是加密数据，图（b）是解密后数据；

图8是本发明实施例中第一、二级别要素加解密效果图，其中图（a）是加密数据，图（b）是解密后数据；

图9是本发明实施例中所有级别要素加解密效果图，其中图（a）是加密数据，图（b）是解密后数据。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，做进一步详细说明。

本实施例选择一shp线图层数据，针对分级密钥的生成，矢量数据的分级、逐级加密及存储、逐级解密与显示的整个过程（面图层数据可采取同样的方法），进一步详细说明本发明。本实施例选择国家基础地理数据1:400万线图层数据（如图5）作为实验数据。

（一）针对线图层数据的逐级加密及存储过程（如图1）

步骤11：利用Hash函数的单向性构造具有分级的密钥链，各级密钥生成的具体方法如下：

a）输入密钥key或选择密钥文件keyfile；

b）利用Hash函数SHA-256算法对输入密钥文件进行处理，得到长度为256位的hash值H，实例中设置将线图层数据分为三级，根据公式（1）推导生成各级别hash值H_l；

c）将各级H_l以字节为单位分为32组，每组的取值范围为0-255，将这32组数据用于生成各级别Logistic映射的控制参数μ_l、初始迭代次数N_l和初始值x_0l；

d）根据公式（2）Logistic方程，输入密钥μ_l，x_0l]，对各级密钥进行初始迭代N_l次，以扩大Logistic映射的雪崩效应；

步骤12：选择要加密的线图层数据R，获取线图层数据R的相关信息：图层所含线要素个数lineNum为1785、线要素编号lineID、线要素所含点个数pointNum为80965、点要素坐标信息pX、pY、图层坐标范围X_min为73、X_max为135、Y_min为3、Y_max为54；

步骤13：根据公式（3）对线要素进行单调性分段，非单调点数为12584，将原线图层分为14369个单调性子段，所含点个数为93549；这个步骤是考虑到地理空间数据的海量性，通过避免点要素的顺序编码PointID的冗余存储以减少数据量，分级传输后根据点要素横坐标值的单调性来顺序组织数据。

步骤14：利用道格拉斯-普克算法建立线状要素LOD模型，对线图层数据R进行分级，实例中设置了两个分级阈值T₁=10.00、T₂=0.35，将线面图层R分为三级(如图6)，得到R={R_l|l=0,1}，R_l表示第l个级别的要素组。其中，各级别是内容互不重复的要素组，避免数据存储冗余；

步骤15：针对线图层数据R进行逐级加密，具体方法如下：

a）新建图层对象：outLay1、outLay2、outLay3，线对象：outLine1、outLine2、outLine3，点对象：outPoint1、outPoint2、outPoint3，分别存放分级加密数据；

b）设置指针指向线图层的第一个线要素的第一个点；

c）判断当前点的级别，选择对应级别密钥进行加密运算；

d）对混沌序列进行一次迭代，得到值x_pl，x_pl表示对第l级别的初始值x_0l经过初始迭代N_l次后再迭代p次后的值，并将其放大m倍，得到key_x，根据公式（4）用key_x对点的横坐标pX的整数部分p_x进行异或操作，得到异或后的点坐标p′_x，对于点的纵坐标pY的整数部分p_y，处理过程也与上面过程类似，得到p′_y；

以第一级别第一个点要素为例，x₀₁初始迭代N₁次后为0.88，并将其放大200倍，得到该点的key_x为126，点横坐标的整数部分p_x为121，两者异或后的p′_x为7，加上小数部分即为该点新的横坐标值。

位运算的速度相当快，对坐标值进行“异或运算”是一种高效的加密解密算法。其中，为了避免加密地图出现分块现象，出现周期性，合理选择m的值以保证参与坐标异或运算的key_x尽量在地图坐标范围之外；同时，为保证在解密过程中数据精度不受四舍五入的损失，此处只是用整数部分，这样就不会出现数据截断而造成的精度损失。

e）对得到的新坐标进行判断，是否超出图层坐标取值范围：

如果转换后的点的横坐标p′_x在[X_min，X_max]范围内，则不做任何处理；

如果转换后的点的横坐标p′_x<X_min，或者p′_x>X_max，则将其还原为原始坐标值。

对于转换后的纵坐标的整数部分p′_y，处理过程与横坐标的过程相同。

这个步骤的目的是要保证点的坐标范围在原来的地图范围之内，而不出现特别突兀的点，而且部分GIS系统对于地图的范围有所限制，如果超出则可能出现错误。

f）将新坐标值[p′_x,p′_y]赋值给当前点对象outPoint1，将点对象添加到当前线对象outLine1中；

g）若指针指向的图层最后一个要素的最后一个点，则算法结束；若指针指向某一个要素的最后一个点，则指针指向下一个要素的第一个点，并跳回到步骤c）；否则指针指向下一个点，算法回跳到步骤c）；

步骤16：将矢量数据存储到关系数据库中，关键是将地理要素集映射到关系数据库的表结构和关系模式上。根据空间矢量数据分级传输的基本思想，每个级别的数据分层存放，将最概要的数据集存储在最底层，其他尺度数据则按递增的方式进行存储，即每层只存储比上层增加的对象信息，各个级别形成一个独立的二进制流。图层数据加密后的存储结构如图3，图中每一行的横向结构是每一个线对象的二进制存储，每一列纵向结构式按照级别层级和记录顺序重新组织后的二进制数据。经过加密后的文件格式如表1所示。

表1加密文件格式

加密起始标志
	加密算法
要素组级别
	要素内容
加密结束标志

其中，加密算法域存放算法名，如AES，MD5，SHA-256等，要素内容域依次存放密钥，加密内容等，其中每级加密内容是按照线对象来组织存储的。

经过上述这些过程的运算，就可以完成对线图层的逐级加密以及加密数据的分级存储。

（二）针对线图层数据的逐级解密及显示过程

客户端用户请求数据时，首先是先传输第一级别数据即最概要信息，再逐级传输满足当前显示比例尺所需要叠加的增量信息。线图层数据逐级解密的具体流程如下：

步骤21：根据客户端数据解密显示请求的级别l，输入密钥key或选择密钥文件keyfile；

步骤22：解密密钥的生成：

根据上述过程（一）中步骤11的方法，生成该级别Logistic映射的控制参量μ_l，初始值x_0l，及初始迭代次数N_l，再根据公式（1）对该级密钥进行初始迭代N_l次，以扩大Logistic映射的雪崩效应；

步骤23：解密该级要素，具体过程如下：

a）新建图层对象：outLayD1、outLayD2、outLayD3，线对象：outLineD1、outLineD2、outLineD3，点对象：outPointD1、outPointD2、outPointD3，分别存放分级解密数据；

b）设置指针指向该级图层的第一个线要素的第一个点；

c）对混沌序列进行一次迭代，得到值x_pl，x_pl表示对第l级别的初始值x_0l经过初始迭代N_l次后再迭代p次后的值，并将其放大m倍，得到key_x，根据公式（4）用key_x对点的横坐标的整数部分p′_x进行异或操作，得到p_x，对于点的纵坐标的整数部分p′_y，处理过程相同，得到p_y；

以第一级别第一个点要素为例，x₀₁初始迭代N_l次后为0.88，并将其放大200倍，得到该点的key_x为126，点横坐标的整数部分p′_x为7，两者异或后的p_x为121，加上小数部分即为该点解密后的横坐标值。

d）对解密后的坐标进行判断，是否超出图层坐标取值范围：

如果转换后的点的横坐标p_x在[X_min，X_max]范围内，则不做任何处理；

如果转换后的点的横坐标p_x<X_min，或者p_x>X_max，则将其还原为原始坐标值。

对于转换后的纵坐标的整数部分p_y，处理过程与横坐标的过程相同。

e）将新坐标值[p_x,p_y]赋值给当前点对象outPointD1，将点对象添加到对应线对象outLineD1中；

f）若指针指向该级别最后一个线要素的最后一个点，则算法结束；若指针指向某一个要素的最后一个点，则指针指向下一个要素的第一个点，并跳回到步骤c）；否则指针指向下一个点，算法回调到步骤c）；

步骤24：线图层数据的层次显示，地图数据交互过程如图4，具体方法如下：

a）如果数据显示请求为第一级，则直接传输、解密、显示第一级别的要素信息；

b）如果数据显示请求为更详细的要素内容，如首次请求显示一级和二级数据，则请求传输二级要素信息，客户端对该级信息进行缓存，遍历缓存区中的每条线要素，逐一比较各级别点的横坐标值pX，实现解密后数据的有序显示；

经过上述这些过程的运算，就可以完成对线图层数据的逐级解密与显示过程。

（三）实验分析

由上述实施例（图7、8、9）可知：本发明基于混沌序列密码技术、LOD技术及GIS矢量数据的特点，针对shp线面图层数据，提出线面要素的逐级加密、存储、解密及自适应显示，从而有效兼顾了矢量数据传输的速度和安全性，为海量地理空间数据的远程传输和安全保护提供有效的技术手段。

本实施例仅以shp格式的线图层数据进行分级加密存储、分级解密还原与显示，而面要素可以看成是封闭的线，该方法也可适用于shp格式的面图层数据，以及通过合理选择数据格式及数据类型，该方法也适用于GML、E00、MIF等其它格式的GIS矢量数据的层次加解密。

Claims (1)

1.一种shp格式线面图层数据的层次加解密方法，包括如下过程：

(一)针对线面图层数据的逐级加密及存储过程

步骤11：利用Hash函数的单向性构造具有分级的密钥链，将得到的各级hash值用来生成混沌映射Logistic的控制参数μ、初始值x₀和初始迭代次数N，再使用不同级别的密钥加密不同等级的资源，从而实现矢量数据的分级调度；各级密钥生成的具体方法如下：

a)输入密钥key或选择密钥文件keyfile；

b)利用Hash函数SHA-256算法对输入密钥文件进行处理，得到长度为256位的hash值H，输入用户需求的分级数l，根据公式(1)推导生成各级别hash值H_l；

H_l+1＝Hash(H_l)，l＝1,2,3,...(1)

c)将各级别H_l以字节为单位分为32组，每组的取值范围为0-255，将这32组数据用于生成各级别混沌映射Logistic的控制参数μ_l、初始迭代次数N_l和初始值x_0l；

d)根据公式(2)的方程，输入密钥[μ_l，x_0l]，对各级密钥进行初始迭代N_l次，以扩大混沌映射Logistic的雪崩效应；

$x_{n+1}=\mathrm{\&mu;}*x_n-\mathrm{\&mu;}*x_n^2---\left(2\right)$

步骤12：选择要加密的线面图层数据R，获取线面图层数据R的相关信息：图层所含线要素个数lineNum、线要素编号lineID、线要素所含点个数pointNum、点要素坐标信息pX、pY、图层坐标范围X_min、X_max、Y_min和Y_max；

步骤13：判断每个线对象的单调性，记录单调性的转折点，并以转折点为断点，拆分成两个线对象，再继续判断转折点到末点的单调性，直到所有线对象满足单调；分析线对象的单调性以X轴为投影直线，对于有n点的折线L，若用X_j表示第j点的横坐标，若公式(3)成立，则定义第j点是L的单调点；否则，为非单调点；

(X_j-X_j-1)(X_j+1-X_j)＞0(1＜j＜n)(3)

步骤14：利用道格拉斯-普克算法建立线状要素LOD模型，对线面图层数据R进行分级：

即是对线面图层数据R中的实体要素进行分级，具体方法如下：用户设置各个要素级别的分级阈值T_l，对线面图层数据R分级，得到R＝{R_l|l＝1,2,3,...}，R_l表示第l个级别的要素组，其中，R_l是内容互不重复的要素组，避免数据存储冗余；

步骤15：针对线面图层数据R进行逐级加密，具体方法如下：

a)设置指针指向图层第一个要素的第一个点；

b)判断当前点的级别，选择对应级别密钥进行加密运算；

c)对混沌序列进行一次迭代，得到值x_pl，x_pl表示对第l级别的初始值x_0l经过初始迭代N_l次后再迭代p次后的值，并将其放大m倍，得到key_x，根据公式(4)用key_x对点的横坐标pX的整数部分p_x进行异或操作，得到异或后的点坐标p'_x，对于点的纵坐标pY的整数部分，处理过程相同，得到p'_y；

p'_x＝p_x^key_x(4)

p′_y＝p_y^key_y

d)对得到的新坐标进行判断，是否超出图层坐标取值范围：

如果转换后的点的横坐标p'_x在[X_min，X_max]范围内，则不做任何处理；

如果转换后的点的横坐标p'_x<X_min，或者p'_x>X_max，则将其还原为原始坐标值，即p'_x＝p_x；

对于转换后的纵坐标的整数部分p'_y，处理过程与横坐标p'_x的过程相同；

e)将新坐标值赋值给点对象，将点对象添加到对应线对象中；

f)若指针指向图层最后一个要素的最后一个点，则算法结束；若指针指向某一个要素的最后一个点，则指针指向下一个要素的第一个点，并跳回到步骤b)；否则指针指向下一个点，算法回跳到步骤b)；

步骤16：加密线图层R^E的分级存储，具体方法如下：

将矢量数据存储到关系数据库中，关键是将地理要素集映射到关系数据库的表结构和关系模式上，每个级别的数据分层存放，将最概要的数据集存储在最底层，其他尺度数据则按递增的方式进行存储，即每层只存储比上层增加的对象信息，各个级别形成一个独立的二进制流；

(二)针对线面图层数据的逐级解密及显示过程

步骤21：根据数据显示请求的级别l，输入密钥key或选择密钥文件keyfile；

步骤22：根据上述过程(一)中步骤11的方法，生成该级别解密密钥:初始迭代次数N_l、控制参数μ_l和初始值x_0l；

步骤23：解密该级要素：

a)设置指针指向该级数据的第一个要素的第一个点；

b)对混沌序列进行一次迭代，得到值x_pl，x_pl表示对第l级别的初始值x_0l经过初始迭代N_l次后再迭代p次后的值，并将其放大m倍，得到key_x，根据公式(5)用key_x对点的横坐标的整数部分p'_x进行异或操作，得到p_x，对于点的纵坐标的整数部分p'_y，处理过程相同，得到p_y；

p_x＝p'_x^key_x(5)

p_y＝p'_y^key_y

c)对得到的新坐标进行判断，是否超出图层坐标取值范围：

如果转换后的点的横坐标p_x在[X_min，X_max]范围内，则不做任何处理；

如果转换后的点的横坐标p_x<X_min，或者p_x>X_max，则将其还原为原始坐标值，即p_x＝p'_x，

对于转换后的纵坐标的整数部分p_y，处理过程与横坐标p_x的过程相同；

d)将新坐标值赋值给点对象，将点对象添加到对应线对象中；

e)若指针指向的该级数据最后一个要素的最后一个点，则算法结束；若指针指向某一个要素的最后一个点，则指针指向下一个要素的第一个点，并跳回到步骤b)；否则指针指向下一个点，算法回跳到步骤b)；

步骤24：线面图层数据的层次显示，具体方法如下：

用户请求数据显示时，首先检查本地缓存区的数据是否符合要求，如果缓存区数据级别cachedl大于请求的数据级别requestedl，则遍历缓存区中requestedl及其以下的数据；如果缓存区数据级别cachedl小于请求的数据级别requestedl，则遍历缓存区的数据，并请求传输从数据级别cachedl+1到数据级别requestedl的数据，逐级解密；如果数据显示请求为第一级即最概要信息，则直接读取显示该级解密后的要素信息；否则遍历缓存区每条线要素，逐一比较各级别点的横坐标值pX，实现解密后数据的有序显示。