CN112446814B - 一种定位篡改实体组的矢量地图数据脆弱水印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种定位篡改实体组的矢量地图数据脆弱水印方法，包括水印嵌入、水印检测与篡改定位两部分。方法是：首先将各个地理实体用其与坐标轴平行的外接矩形的中心点表征，进而采用优化的K均值聚类对地理实体进行分组；然后通过构建实体组的完整性特征参数并结合混沌映射生成脆弱水印；最后将脆弱水印嵌入到排序处理后的坐标中。水印检测时，通过对比检测出水印和生成水印的一致性，判断实体组是否遭到了篡改。本发明针对实际应用中矢量地图数据所面临的完整性、可靠性等安全问题，在有效保持数据精度的同时，能够对地图数据的完整性进行准确认证，具有良好的不可见性和篡改定位精度。

Description

一种定位篡改实体组的矢量地图数据脆弱水印方法
技术领域
本发明属于地理空间数据安全领域，具体而言，涉及一种能够定位出篡改实体组的矢量地图数据脆弱水印方法。
背景技术
随着矢量地图数据的广泛应用，其安全问题日益突出，地图数据被非法窃取、篡改的风险不断增加，引起了普遍关注。确保数据真实可靠是开展各项应用的必要前提，对地图数据进行准确的完整性认证已成为迫切需求。脆弱水印是解决这一问题的有力技术手段，它能够有效认证出数据是否遭到了篡改、哪里遭到了篡改、篡改的程度有多大，从而保证数据可靠、可信、可用。
用于版权保护的鲁棒水印和面向完整性认证的脆弱水印是矢量地图数据数字水印技术的两个主要分支。近年来，随着地图数据完整性认证需求的增加，脆弱水印的研究开始得到关注。与栅格数据不同，矢量地图数据空间分布不均的离散性特征，增大了篡改定位的难度。为实现准确的篡改定位，一般采用分块或分组的方法进行数据划分。其中，基于分组的脆弱水印既能满足标识篡改区域的定位要求，又能较好保持地图的整体特征。郑良斌等将线状实体根据坐标点数进行分组，使每个分组中的坐标点数均大于设定的阈值。王娜娜等根据记录号将图元分组，通过插入顶点标记初始记录号。Shelvie等将坐标点每三个分为一组，通过扩展曼哈顿距离的差值将水印嵌入。汪传建等根据每个地物的消息验证码将其分组，认证时通过不同的验证向量组合判定篡改位置和类型。李莎莎等按照设定的数量阈值进行分组，将坐标求和后的均值经映射后生成脆弱水印。基于实体分组的矢量地图脆弱水印通常存在以下不足：(1)分组缺乏稳定性。有些分组方案以每组中实体数量或坐标点个数作为分组依据，易受实体增删的影响，分组不同步必然导致整幅地图认证失败；(2)部分方法存在篡改漏检。将实体组的特征参数作为混沌映射的初值产生认证水印，生成水印的长度可根据实际需求自由调节，但若特征参数构造不当，会存在篡改漏检的隐患；(3)不能准确认证实体乱序、坐标点逆序操作。矢量地图数据所表达的内容与不同实体存储的先后、同一实体内坐标点的正序逆序无关，应使其通过认证。
发明人通过研究发现，目前基于实体分组的脆弱水印技术中所存在的以上共性问题尚未得到有效解决，因此如何在采用分组思想的基础上，顾及矢量地图数据的特征，设计一种能够准确认证数据完整性的脆弱水印方法成为亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种定位篡改实体组的矢量地图数据脆弱水印方法，能够实现对地图数据的稳定分组，有效避免因特征参数构造不当引发的篡改漏检问题，从而对矢量地图数据的完整性作出准确认证，并对遭到篡改的实体组实现准确定位，在有效保持矢量地图数据精度的同时，具有良好的篡改定位精度。
本发明的一种定位篡改实体组的矢量地图数据脆弱水印方法，其特征在于通过脆弱水印嵌入方法、脆弱水印检测及完整性认证方法来实现，其中，脆弱水印嵌入方法主要包括以下步骤：
(1)利用矢量地图数据各实体x，y坐标的最大、最小值Xmin，Xmax，Ymin，Ymax，求取各实体与坐标轴平行的外接矩形的中心点。
(2)采用优化的K均值聚类方法对所有实体外接矩形的中心点进行聚类分组，并将聚类中心C作为密钥保存。
(3)计算每个实体组的完整性认证参数，并结合混沌序列为划分形成的每个实体组生成脆弱水印Wi。
(4)在每个实体组中，提取各个坐标点在水印嵌入位q前的坐标数值，按照从小到大的顺序依次排列。
(5)采用修改最低有效位的方式，将每个实体组的脆弱水印Wi依次嵌入到该组排序后各坐标点的水印嵌入位上，得到含水印的数据。
(6)重复步骤(4)和步骤(5)，直至所有实体组中的脆弱水印嵌入完毕。
脆弱水印检测及完整性认证方法主要包括以下步骤：
(1)在矢量地图数据中，利用各实体x，y坐标的最大、最小值Xmin，Xmax，Ymin，Ymax，求取待检测地图数据中每个实体与坐标轴平行的外接矩形的中心点。
(2)直接将密钥C作为初始聚类中心，对地图数据中所有实体与坐标轴平行的外接矩形的中心点进行K均值聚类。
(3)在聚类得到的每个实体组中，计算其完整性认证参数，并结合混沌序列生成脆弱水印，记作Vi。
(4)在每个分组中，提取排序后各坐标点水印嵌入位的最低有效位，并将其依次连接成二值序列Wi′。
(5)比较Vi和Wi′的异同。若相同，则该实体组未遭篡改；若相异，则该实体组遭到篡改。
(6)遍历所有实体组，使其均完成水印检测和篡改定位。
本发明设计的一种定位篡改实体组的矢量地图数据脆弱水印方法，与现有同类方法相比，有效避免了因实体增删导致的分组不同步问题，消除了因完整性特征参数构造不当可能造成的虚警和漏检隐患，并可对实体乱序、坐标点逆序进行准确识别。该方法在有效保持矢量地图数据精度的同时，能够对矢量地图数据的完整性作出准确认证，具有良好的不可见性和篡改定位精度。
附图说明
图1为本发明的脆弱水印嵌入、脆弱水印检测及完整性认证过程的流程图。
图2为本发明实施例中的实验数据示意图。
图3为实施例中水印的不可见性示意图，其中，3(a)为水印嵌入前局部数据，3(b)为水印嵌入后局部数据。
图4为增加实体及认证结果示意图，其中，4(a)为增加实体后的矢量地图数据，4(b)为篡改定位结果。
图5为删除实体及认证结果示意图，其中，5(a)为删除实体后的矢量地图数据，5(b)为篡改定位结果。
图6为修改实体及认证结果示意图，其中，6(a)为修改实体后的矢量地图数据，6(b)为篡改定位结果。
图7为实体乱序、坐标点逆序及认证结果示意图，其中，7(a)为实体乱序和坐标点逆序后的局部数据，7(b)为篡改定位结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行详细说明。
本发明提供一种定位篡改实体组的矢量地图数据脆弱水印方法，如图1所示，其特征在于通过脆弱水印嵌入过程、脆弱水印检测及完整性认证过程来实现。
A.脆弱水印嵌入的具体步骤如下：
第一步：将矢量地图数据中各实体x，y坐标的最大、最小值Xmin，Xmax，Ymin，Ymax代入式(1)，求取每个实体与坐标轴平行的外接矩形的中心点。
Figure BSA0000188805510000031
第二步：采用优化的K均值聚类方法对所有实体外接矩形的中心点进行聚类，并将聚类中心C作为密钥保存。外接矩形的中心点被划分到的类就是该实体所属的类，设聚类的类别数为k，则每个类别即为一个实体组，k与篡改定位的精度密切相关，其取值根据认证精度的实际要求自适应设定。k的取值越大，分组的数量越多，篡改定位精度越高；k的取值越小，分组的数量越少，篡改定位精度越低。
第三步：按照式(2)构建完整性特征参数，对于第i个分组中的第t个实体，其完整性特征参数bit为：
Figure BSA0000188805510000032
式中，nt为该分组中第t个实体上坐标点的个数，xt，j，yt，j分别为该分组中第t个实体上第j个点的x，y坐标在水印嵌入位前的数值，λ为数值调节因子，K为由安全密钥产生的伪随机数，用于避免可能发生的约分，增强特征参数的安全性。
设第i个实体组中共含有mi个实体，则第i个实体组的完整性特征参数bi为：
Figure BSA0000188805510000033
然后按照式(4)取bi的小数部分，使其处于(0，1)区间：
bi′＝mod(bi，1) (4)
将bi′作为Logistic映射的初值，并将生成的序列进行二值化处理，生成每个实体组的脆弱水印Wi。
第四步：在每个实体组中，提取各个坐标点在水印嵌入位q前的坐标数值，并按照x坐标从小到大的顺序排列，若其值相同，再按照y坐标从小到大的顺序依次排列。
第五步：将每个实体组的脆弱水印Wi采用修改最低有效位的方式，依次嵌入到该组排序后各坐标点水印嵌入位上，得到含水印的地图数据。
第六步：重复第四步和第五步，直至所有实体组的脆弱水印嵌入完毕。
B.脆弱水印检测及完整性认证的具体步骤如下：
第一步：将待检测矢量地图数据中各实体x，y坐标的最大、最小值Xmin，Xmax，Ymin，Ymax代入式(1)，求取每个实体与坐标轴平行的外接矩形的中心点。
第二步：为确保聚类分组与水印嵌入时相同，直接将密钥C作为初始聚类中心对第一步得到的外接矩形的中心点进行K均值聚类，聚类结果的每个类别即为一个实体组，外接矩形的中心点被划分到的类别就是该实体所属的分组。
第三步：按照脆弱水印嵌入过程第三步所述方法为每个实体组生成脆弱水印，记作Vi。
第四步：在每个实体组中，提取排序后各坐标点水印嵌入位上的最低有效位，并将其依次连接成二值序列Wi′。
第五步：若Wi′＝Vi，则该实体组未遭篡改，使其通过完整性认证；若Wi′≠Vi，则该实体组遭到了篡改，未通过完整性认证，并对该实体组进行篡改标识，从而达到篡改定位的目的。
第六步：遍历所有实体组，使其均完成水印检测和完整性认证。
与现有同类技术方案相比，本发明所提供的一种定位篡改实体组的矢量地图数据脆弱水印方法具有以下优点：
(1)采用优化的K均值聚类进行数据单元划分，外接矩形的中心点被划分到的类别即为该地理实体所属的分组，有效避免了因实体增删导致的分组不同步问题。
(2)设计了全新的完整性特征参数构造方法，结合混沌序列，有效避免了现有同类技术方案中存在的篡改漏检问题。
(3)在水印嵌入和检测前对坐标点实施了排序处理，有效确保了本方法可对实体乱序、坐标点逆序进行准确识别。
为验证本发明的性能，采用某地1∶50万的水系线状数据，如图2所示，进行了系列仿真实验。实验数据中共含有822个线状实体，25005个坐标点，地理坐标精度位为小数点后第4位，地理坐标最大误差容限为10-4，数据精度为50米。
(1)不可见性
按照本文设计的算法将脆弱水印嵌入实验数据，如图3所示，将水印嵌入前后的矢量地图进行局部放大对比。实验结果表明，视觉上无法分辨出水印嵌入前后地图数据的差异，水印算法具有良好的不可感知性。由于水印嵌入在数据精度位后，因此不会对地图精度产生影响。在1∶50万的矢量地图数据中，嵌入位q的最小取值为5，则嵌入水印后对x，y坐标的最大改变量为10-5，坐标点最大偏移量约为1.414×10-5，严格控制在误差容限内，算法具有良好的不可见性。
(2)篡改定位能力
a.增加实体
在增加实体后的整幅地图数据中，最小外接矩形中点的数量增加，该实体所属聚类类别中对象的数量相应增加，且它的加入改变了该分组完整性特征参数值，导致分组认证失败。在图4(a)中，字母“A”标识增加实体的位置，篡改定位结果如图4(b)加粗部分所示。
b.删除实体
在删除实体后的整幅地图数据中，最小外接矩形中点的数量减少，该实体所属聚类类别中对象的数量相应减少，并且由于该实体被整体删除，必定改变整个分组完整性特征参数值，使该分组认证失败。在图5(a)中，字母“B”标识删除实体的位置，篡改定位结果如图5(b)加粗部分所示。
c.修改实体
修改实体可能导致两种情况，一种是修改后的实体仍在原来的分组中，此时仅该组的完整性特征参数值发生改变；另一种是修改后的实体不再属于原来的分组，而是划归到了其他分组，此时这两组的完整性特征参数值均会发生改变。在图6(a)中，字母“C”标识修改实体的位置，篡改定位结果如图6(b)加粗部分所示。
d.实体乱序和坐标点逆序
在本发明中，由于完整性特征参数不受实体乱序和坐标点逆序的影响，并且坐标排序处理确保了水印嵌入和检测的同步性，因此本发明提供的方法能够准确认证实体乱序和坐标点逆序操作。图7(a)为实验数据的局部放大图，将实体a，b，c，d的存储顺序两两互换，将实体e，f中的坐标点逆序排列，整幅地图数据的认证结果如图7(b)所示。
图4至图6表明，在含水印的矢量地图数据遭到增加实体、删除实体、修改实体攻击后，本发明提供的方法能够对发生篡改的区域进行准确定位。图7表明，对含水印的矢量地图数据实施实体乱序和坐标点逆序操作后，本发明提供的方法未出现虚警或漏检，能够对数据的完整性作出准确认证。
综上所述，实施例的实验结果表明，本发明在充分顾及矢量地图数据精度的基础上，能够对地图数据的完整性作出准确认证，并且具有良好的不可见性和篡改定位精度，从而确保矢量地图数据的安全可靠，具有很强的应用价值。

Claims (2)

1.一种定位篡改实体组的矢量地图数据脆弱水印方法，其特征在于，通过脆弱水印嵌入方法、脆弱水印检测及完整性认证方法来实现，其中矢量地图数据的脆弱水印嵌入方法主要包括以下步骤：
步骤1.1：利用矢量地图数据各实体x，y坐标的最大、最小值Xmin，Xmax，Ymin，Ymax，求取各实体与坐标轴平行的外接矩形的中心点；
步骤1.2：采用优化的K均值聚类方法对所有实体外接矩形的中心点进行聚类分组，并将聚类中心C作为密钥保存；
步骤1.3：计算每个实体组的完整性认证参数，并结合混沌序列为划分形成的每个实体组生成脆弱水印Wi；
步骤1.4：在每个实体组中，提取各个坐标点在水印嵌入位q前的坐标数值，按照从小到大的顺序依次排列；
步骤1.5：采用修改最低有效位的方式，将每个实体组的脆弱水印Wi依次嵌入到该组排序后各坐标点的水印嵌入位上，得到含水印的数据；
步骤1.6：重复步骤1.4和步骤1.5，直至所有实体组中的脆弱水印嵌入完毕；
所述的步骤1.3中脆弱水印Wi的生成方法是：
对于第i个分组中的第t个实体，其完整性认证参数bit为：
Figure FDA0003524956840000011
式中，nt为该分组中第t个实体上坐标点的个数，xt，j，yt，j分别为该分组中第t个实体上第j个点的x，y坐标在水印嵌入位前的数值，λ为数值调节因子，K为由安全密钥产生的伪随机数，用于避免可能发生的约分，增强特征参数的安全性；
设第i个实体组中共含有mi个实体，则第i个实体组的完整性认证参数bi为：
Figure FDA0003524956840000012
然后取bi的小数部分，使其处于(0，1)区间，公式如下：
bi′＝mod(bi，1)
将bi′作为Logistic映射的初值，并将生成的序列进行二值化处理，生成每个实体组的脆弱水印Wi。
2.一种用权利要求1所述的定位篡改实体组的矢量地图数据脆弱水印嵌入方法获得的含水印矢量地图数据的脆弱水印检测及完整性认证方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤2.1：在矢量地图数据中，利用各实体x，y坐标的最大、最小值Xmin，Xmax，Ymin，Ymax，求取待测地图数据中每个实体与坐标轴平行的外接矩形的中心点；
步骤2.2：直接将密钥C作为初始聚类中心，对地图数据中所有实体与坐标轴平行的外接矩形的中心点进行K均值聚类；
步骤2.3：在聚类得到的每个实体组中，计算其完整性认证参数，并结合混沌序列生成脆弱水印，记作Vi；
步骤2.4：在每个分组中，提取排序后各坐标点水印嵌入位的最低有效位，并将其依次连接成二值序列W′i；
步骤2.5：比较Vi和W′i的异同：若相同，则该实体组未遭篡改；若相异，则该实体组遭到篡改；
步骤2.6：遍历所有实体组，使其均完成水印检测和篡改定位。
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