朱長(zhǎng)青

1. 南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023; 2. 江蘇省地理信息資源開(kāi)發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023

地理數(shù)據(jù)數(shù)字水印和加密控制技術(shù)研究進(jìn)展

朱長(zhǎng)青1，2

1. 南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023; 2. 江蘇省地理信息資源開(kāi)發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023

隨著地理數(shù)據(jù)應(yīng)用和共享需求的迅速增長(zhǎng)，地理數(shù)據(jù)安全問(wèn)題日益凸顯。地理數(shù)據(jù)安全問(wèn)題不僅影響著地理信息產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，更關(guān)系著國(guó)家安全和國(guó)防建設(shè)。數(shù)字水印與加密控制技術(shù)是地理數(shù)據(jù)安全保護(hù)的前沿技術(shù)和有效手段，近年來(lái)相關(guān)技術(shù)研究和應(yīng)用也得到了深入發(fā)展。本文針對(duì)地理數(shù)據(jù)數(shù)字水印技術(shù)和加密控制技術(shù)，介紹了其研究背景和需求，綜述和評(píng)價(jià)了其理論、模型及算法的研究進(jìn)展，論述了其在實(shí)際中的軟件研發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀，并根據(jù)地理信息產(chǎn)業(yè)和信息技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，展望了其理論研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)的未來(lái)發(fā)展方向。

地理數(shù)據(jù)安全；數(shù)字水印；加密控制；進(jìn)展；應(yīng)用

地理數(shù)據(jù)是國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與地球信息科學(xué)研究的重要基礎(chǔ)，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中不可缺少的戰(zhàn)略資源，已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。隨著網(wǎng)絡(luò)化、信息化、數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展，地理數(shù)據(jù)的獲取、復(fù)制與傳播越來(lái)越方便，其遭受的泄密、盜版、侵權(quán)、竊取等行為也屢禁不止，面臨的安全問(wèn)題越來(lái)越突出。

針對(duì)地理數(shù)據(jù)安全，國(guó)家和軍隊(duì)制定了一系列法律、規(guī)章、條例和制度來(lái)保護(hù)地理數(shù)據(jù)安全[1]。2017年4月新修訂的《中華人民共和國(guó)測(cè)繪法》明確提出“測(cè)繪成果保管單位應(yīng)當(dāng)采取措施保障測(cè)繪成果的完整和安全”、“地理信息生產(chǎn)、保管、利用單位應(yīng)當(dāng)對(duì)屬于國(guó)家秘密的地理信息的獲取、持有、提供、利用情況進(jìn)行登記并長(zhǎng)期保存，實(shí)行可追溯管理”[2]。

保障地理數(shù)據(jù)安全、實(shí)行可追溯管理，除了制定完善的法規(guī)，更需要從技術(shù)手段上提供安全支撐。目前，針對(duì)地理數(shù)據(jù)的安全保護(hù)技術(shù)，從保護(hù)方式上可以分為事后追究和事先防范兩大類。數(shù)字水印技術(shù)是事后追究的代表性技術(shù)，它將包含數(shù)據(jù)版權(quán)、用戶、時(shí)間等內(nèi)容的水印信息按照數(shù)學(xué)規(guī)則嵌入數(shù)據(jù)中，并使得水印信息與數(shù)據(jù)緊密結(jié)合為一體，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的版權(quán)保護(hù)、用戶區(qū)分、追根溯源等[3]。對(duì)于地理數(shù)據(jù)的生產(chǎn)、管理、分發(fā)和更新，數(shù)字水印技術(shù)可以應(yīng)用于其整個(gè)生命周期中，構(gòu)建其安全保護(hù)的一道堅(jiān)實(shí)防線。加密控制技術(shù)或稱訪問(wèn)控制技術(shù)是數(shù)據(jù)事先防范的代表性技術(shù)，它是運(yùn)用密碼學(xué)理論對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，保證數(shù)據(jù)在密文狀態(tài)下的安全性，使用時(shí)通過(guò)對(duì)用戶合法性的確認(rèn)進(jìn)行訪問(wèn)權(quán)限的控制，對(duì)密文解密提供明文狀態(tài)下的訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地理數(shù)據(jù)使用環(huán)境、使用期限的嚴(yán)格控制。

本文圍繞地理數(shù)據(jù)安全，對(duì)目前國(guó)內(nèi)外地理數(shù)據(jù)數(shù)字水印技術(shù)和加密控制技術(shù)的研究進(jìn)展及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述和分析，并對(duì)其研究和應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

1 地理數(shù)據(jù)數(shù)字水印技術(shù)研究進(jìn)展

在地理數(shù)據(jù)數(shù)字水印技術(shù)研究中，需要著重考慮地理數(shù)據(jù)本身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，基于數(shù)字水印思想，進(jìn)行地理數(shù)據(jù)數(shù)字水印模型和算法的深入研究。地理數(shù)據(jù)總體可分為矢量地理數(shù)據(jù)、柵格地理數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)這3類，因此地理數(shù)據(jù)數(shù)字水印技術(shù)的研究主要圍繞這3類數(shù)據(jù)開(kāi)展進(jìn)行。

1.1 矢量地理數(shù)據(jù)數(shù)字水印技術(shù)研究進(jìn)展

矢量地理數(shù)據(jù)是通過(guò)點(diǎn)、線、面及其組合體實(shí)現(xiàn)對(duì)地理空間要素的描述，并記錄對(duì)象的屬性信息，具有空間信息和屬性信息的并存特征。地理坐標(biāo)作為矢量地理數(shù)據(jù)中空間信息的載體，也為水印信息提供了一定的承載空間。從水印嵌入域劃分，矢量地理數(shù)據(jù)數(shù)字水印算法主要分為基于空間域的水印算法和基于變換域的水印算法。

1.1.1 基于空間域的矢量地理數(shù)據(jù)數(shù)字水印算法

矢量地理數(shù)據(jù)空域水印算法是指在水印嵌入過(guò)程中，通過(guò)直接改變矢量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)值，將水印信息嵌入數(shù)據(jù)點(diǎn)或數(shù)據(jù)特征中。早期的水印研究大多是基于空域展開(kāi)，但是由于空域算法是直接對(duì)矢量數(shù)據(jù)坐標(biāo)進(jìn)行操作，對(duì)矢量數(shù)據(jù)的攻擊易導(dǎo)致水印的破壞，因而如何提高空域水印算法的抗差性，是學(xué)者們研究的重點(diǎn)。

MQUAD算法較早得了關(guān)注和研究，它運(yùn)用改進(jìn)的四叉樹(shù)分塊算法，在各塊中嵌入水印，提升抵抗增刪點(diǎn)、噪聲和縮放攻擊的能力[4]。采用增加冗余數(shù)據(jù)點(diǎn)的方法，能夠保證原始數(shù)據(jù)的精度[5]，但是對(duì)壓縮攻擊的抗差性不佳。為實(shí)現(xiàn)水印算法對(duì)壓縮攻擊的抗差性，可使用道格拉斯壓縮算法對(duì)矢量地理數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將水印嵌入到壓縮后的數(shù)據(jù)點(diǎn)中，能夠避免壓縮后水印信息的破壞[6-7]，選擇關(guān)鍵圖層和關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)也可達(dá)到相同效果[8]。通過(guò)歸一化坐標(biāo)并調(diào)制坐標(biāo)值，可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的水印嵌入，從而大幅提高矢量地理數(shù)據(jù)可承載的水印容量[9]。聚類的方法能將水印嵌入至不同空間特征的矢量要素中，增加水印的冗余性[10-11]。從坐標(biāo)自身性質(zhì)的角度，基于坐標(biāo)映射建立的水印同步機(jī)制能夠有效地抵抗裁剪、刪除等攻擊[12]，進(jìn)一步增強(qiáng)了水印的均勻分布性。

幾何攻擊對(duì)矢量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)修改幅度較大，只考慮增刪攻擊的水印方法難以抵抗此類攻擊。為此，研究對(duì)于旋轉(zhuǎn)、平移和縮放等變換具有不變性的函數(shù)或者將水印信息嵌入矢量地理數(shù)據(jù)的幾何不變量中，能夠使水印算法有效抵抗多種幾何攻擊與復(fù)合攻擊[13-14]。投影變換作為地理數(shù)據(jù)特有的變換方式，對(duì)數(shù)據(jù)的攻擊程度遠(yuǎn)大于普通的旋轉(zhuǎn)、平移和縮放攻擊，利用拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)建網(wǎng)格，能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)投影變換攻擊的抵抗[15]；利用屬性信息，根據(jù)二元三次多項(xiàng)式進(jìn)行同名點(diǎn)匹配，使待檢測(cè)的數(shù)據(jù)變換回原始數(shù)據(jù)，同樣實(shí)現(xiàn)了對(duì)投影變換攻擊的抵抗[16]。

1.1.2 基于變換域的矢量地理數(shù)據(jù)數(shù)字水印算法

空間域矢量地理數(shù)據(jù)水印算法由于對(duì)坐標(biāo)直接進(jìn)行操作，抗差性普遍欠佳，因而抗差性更強(qiáng)的變換域水印算法的研究更為廣泛。變換域水印算法主要是利用數(shù)學(xué)變換將矢量地理數(shù)據(jù)坐標(biāo)由空域轉(zhuǎn)換為變換域中，將水印信息嵌入至特定的變換域系數(shù)中，再逆變換回空間域生成含水印的矢量地理數(shù)據(jù)，檢測(cè)時(shí)只需在變換域中檢測(cè)即可。相比于空間域矢量地理數(shù)據(jù)水印算法，變換域水印算法將水印信息非顯性的嵌入至數(shù)據(jù)中，水印能夠更好地均勻分布在數(shù)據(jù)中，抗差性會(huì)得到進(jìn)一步的提升。

離散余弦變換(DCT)能夠很好地將能量集中在低頻區(qū)域。利用DCT的能量壓縮與去相關(guān)性能，基于DCT的矢量地理數(shù)據(jù)水印算法得到了研究[17]。運(yùn)用最小封閉矩形對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，將水印嵌入至中頻系數(shù)中，理論上能較好地抵抗各類攻擊[18]，但是最小封閉矩形在遭受幾何攻擊后具有不確定性。結(jié)合Waston感知模型，在DCT域的低頻系數(shù)嵌入水印，能更好地顧及矢量數(shù)據(jù)的精度和水印的不可感知性[19]。此外，離散小波變換(DWT)作為常見(jiàn)的一種變換方式，基于DWT域的水印算法同樣取得了一定的研究成果[20-21]，水印算法的抗差性得到了保證。

離散傅里葉變換(DFT)作為較早提出的變換方法，由于其具有的幾何不變性，在矢量地理數(shù)據(jù)水印算法中得到了較多使用。在DFT的幅度和相位中嵌入水印信息，能夠保持算法對(duì)旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等攻擊的抵抗能力[22-23]。同時(shí)在DFT中實(shí)行量化機(jī)制，能更好地滿足盲檢測(cè)的特性，并增強(qiáng)算法的抗差性[24]。但是，變換域系數(shù)的直接修改難以滿足數(shù)據(jù)的精度要求，因此對(duì)DFT系數(shù)進(jìn)行放大并通過(guò)計(jì)算可選擇較優(yōu)的量化步長(zhǎng)大小，能夠提高水印算法的精度和不可感知性[25]。

矢量地理數(shù)據(jù)水印算法是地理數(shù)據(jù)水印研究中的重要和難點(diǎn)，目前的研究成果較為豐富。但是，對(duì)于抗幾何攻擊和復(fù)合攻擊、小數(shù)據(jù)量水印、多重水印、多級(jí)水印等方面還有許多待解決的問(wèn)題，仍然需要深入研究。

1.2 柵格地理數(shù)據(jù)數(shù)字水印算法

柵格數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)方式與表現(xiàn)形式上與普通圖像數(shù)據(jù)具有相似性，因而對(duì)于柵格地理數(shù)據(jù)水印算法的研究在一定程度上可以借鑒普通圖像的水印算法。然而柵格地理數(shù)據(jù)在量測(cè)、精度與空間分析等方面又具有自身的特性與應(yīng)用需求，使得柵格地理數(shù)據(jù)的水印算法設(shè)計(jì)需要考慮柵格地理數(shù)據(jù)自身特性，不能照搬普通圖像水印算法。按照數(shù)據(jù)類型的不同，柵格地理數(shù)據(jù)的數(shù)字水印算法研究可分為遙感影像數(shù)字水印算法和柵格地圖數(shù)字水印算法。

1.2.1 遙感影像數(shù)字水印算法

遙感影像具有數(shù)據(jù)量大、紋理豐富、多波段等特點(diǎn)，因此在研究遙感影像的數(shù)字水印算法時(shí)，需要充分考慮遙感影像的數(shù)據(jù)特征?？紤]到抗差性的需求，目前遙感影像的水印算法主要為變換域算法?；贒WT的遙感影像水印算法研究表明，嵌入水印強(qiáng)度經(jīng)過(guò)適當(dāng)控制，能夠減少對(duì)遙感影像分類結(jié)果的影響[26]，并與同樣嵌入法則的DFT域水印算法相比，分類結(jié)果更優(yōu)[27]。基于DCT的遙感影像水印算法也得到了研究，結(jié)合遙感圖像內(nèi)容進(jìn)行水印的自適應(yīng)嵌入，水印的不可感知性和抗差性均具有較好的表現(xiàn)[28]。基于DWT變換，通過(guò)將水印信息嵌入重要感知系數(shù)，能進(jìn)一步提升水印的不可見(jiàn)性[29-30]。在水印嵌入和檢測(cè)時(shí)，將利用密鑰對(duì)水印信息進(jìn)行加密或者解密，能夠有效增強(qiáng)水印算法的安全性[31-32]。為避免水印對(duì)遙感影像的影響過(guò)大，在水印嵌入過(guò)程中建立精度約束機(jī)制，能夠很好地保證遙感影像嵌入水印后的精度[33]。

與矢量地理數(shù)據(jù)類似，遙感影像也面臨著各類幾何攻擊?；谒》指?、Harris-Laplace特征區(qū)域等的方法能夠提高水印算法對(duì)幾何攻擊的抗差性[34-36]。瓦片遙感影像作為一種特殊尺寸的影響，還面臨著拼接攻擊。通過(guò)建立基于黃金分割法搜索定位機(jī)制，在水印檢測(cè)時(shí)搜尋定位塊，能使瓦片遙感影像水印算法增強(qiáng)對(duì)拼接攻擊的抗差性[37]。水印信息容量作為水印算法的重要指標(biāo)之一，將二維碼作為水印信息嵌入載體數(shù)據(jù)，能夠有效提升遙感影像的水印容量，并增強(qiáng)算法對(duì)剪切、噪聲等攻擊的抗差性[38]。

1.2.2 柵格地圖數(shù)字水印算法

柵格地圖的組織方式與遙感影像相同，但是在圖像內(nèi)容上存在著差異，其著色機(jī)制具有規(guī)范性，像素灰度值高，地物邊界像素變化較大[39]。DCT變換具有較好的能量集中特性，因此基于DCT域，利用柵格地圖比普通圖像亮度高且直流分量變化大的數(shù)據(jù)特性，將水印嵌入到數(shù)據(jù)DCT變換后的低頻、中頻和高頻系數(shù)[40]，增加了水印算法抵抗對(duì)比度亮度調(diào)節(jié)攻擊的能力，但是非盲水印的特性限制了此方法的應(yīng)用范圍。此外，基于DWT和DFT的水印算法也得到了研究[41]，通過(guò)對(duì)柵格地圖的分塊處理，將水印信息嵌入各分塊DFT變換域的半圓形區(qū)域，提升了算法運(yùn)行的效率[42]。對(duì)于分塊處理，結(jié)合人類視覺(jué)系統(tǒng)(HVS)評(píng)價(jià)不同的分塊方式，能夠發(fā)現(xiàn)最優(yōu)分塊方式從而進(jìn)一步增強(qiáng)水印算法的抗差性[43]。在分塊基礎(chǔ)上構(gòu)建映射函數(shù)構(gòu)建水印同步機(jī)制，將水印信息通過(guò)量化規(guī)則嵌入DFT系數(shù)中，并在嵌入過(guò)程中建立誤差控制機(jī)制，從而既保證了數(shù)據(jù)質(zhì)量，又提高了水印算法對(duì)常規(guī)攻擊、幾何攻擊以及復(fù)合攻擊的抗差性[44]。經(jīng)典的柵格地圖數(shù)字水印算法并不能很好地抵抗打印掃描攻擊，對(duì)于瓦片柵格地圖，基于DWT域的水印算法能充分考慮到瓦片地圖特征[45]。另外，面向多重安全保護(hù)需求，脆弱水印能夠驗(yàn)證柵格地圖的完整性[46]，并且將抗差水印和脆弱水印同時(shí)嵌入DWT系數(shù)中，既能實(shí)現(xiàn)柵格地圖的完整性認(rèn)證，又能鑒定數(shù)據(jù)的版權(quán)信息[47]?；谧止?jié)流的水印嵌入和分塊，可以實(shí)現(xiàn)柵格地圖的加密和版權(quán)保護(hù)的復(fù)合功能[48]。面對(duì)可視化的版權(quán)信息鑒定需求，結(jié)合HVS特征和地圖數(shù)據(jù)特性，將預(yù)處理后的可見(jiàn)水印自適應(yīng)地嵌入數(shù)據(jù)小波系數(shù)中，能夠保持可見(jiàn)水印的視覺(jué)特征，以顯性的方式保護(hù)了數(shù)據(jù)版權(quán)[49]。

總體而言，柵格地理數(shù)據(jù)數(shù)字水印算法能夠在一定程度上滿足安全保護(hù)的需要，但是實(shí)際應(yīng)用中的效率、算法適用性、抗強(qiáng)壓縮性等問(wèn)題有待進(jìn)一步的研究。

1.3 DEM數(shù)字水印算法

DEM是地形表面形態(tài)的數(shù)字化表示，有著數(shù)據(jù)精度要求高、組織方式多樣、空間特性強(qiáng)的特點(diǎn)。從DEM的數(shù)據(jù)組織方式的角度，DEM可分為規(guī)則格網(wǎng)DEM和不規(guī)則三角網(wǎng)DEM，因此DEM的數(shù)字水印算法同樣可分為規(guī)則格網(wǎng)DEM數(shù)字水印算法和不規(guī)則三角網(wǎng)數(shù)字水印算法。

1.3.1 規(guī)則格網(wǎng)DEM數(shù)字水印算法

規(guī)則格網(wǎng)DEM將地形曲面劃分為規(guī)則格網(wǎng)單元，雖然存儲(chǔ)方式接近柵格數(shù)據(jù)，但是“近無(wú)損”是DEM水印區(qū)別于普通圖像數(shù)字水印的主要特征，以圖像視覺(jué)質(zhì)量為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的水印算法不能充分滿足DEM的精度和應(yīng)用需求[50]。與遙感影像的數(shù)字水印技術(shù)類似，基于DEM的變換域，運(yùn)用HVS以及Watson視覺(jué)模型進(jìn)行自適應(yīng)的水印嵌入，能夠達(dá)到近無(wú)損的要求，保證了DEM數(shù)據(jù)的地形特征和可用性[51-52]。通過(guò)修改DEM的廣義直方圖實(shí)現(xiàn)可逆水印的嵌入，能夠?qū)崿F(xiàn)水印的盲檢測(cè)以及DEM的無(wú)損恢復(fù)，大幅提高了水印信息容量[53]，但是對(duì)于DEM可能遭受的攻擊，抗差性有待提高。從DEM的地形特征角度出發(fā)，對(duì)DEM相對(duì)平緩地形進(jìn)行水印嵌入并控制水印嵌入強(qiáng)度，能夠優(yōu)化水印嵌入的不可感知性[54]。為了保證DEM在嵌入水印后不影響其空間分析的功能，通過(guò)分析坡度坡向計(jì)算模型，推導(dǎo)出坡度坡向精度與水印嵌入強(qiáng)度的數(shù)學(xué)關(guān)系，在滿足精度要求的前提下，最大化水印嵌入強(qiáng)度，能夠增強(qiáng)水印的抗攻擊性[55]。利用DEM相鄰格網(wǎng)高程差值的平移不變性，將擴(kuò)頻水印嵌入高程差值，并分?jǐn)倲U(kuò)張差值到相鄰高程，較好保持了DEM數(shù)據(jù)精度，且對(duì)高程平移和裁剪攻擊具有良好的抗差性[56]。基于無(wú)損可逆水印的研究，能夠保證DEM提取水印后的完整性和準(zhǔn)確性，具有實(shí)用意義[57]。面對(duì)多層次的安全保護(hù)需求，將抗差性水印和脆弱水印有機(jī)結(jié)合地嵌入DEM中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)版權(quán)保護(hù)和完整性認(rèn)證，能夠從技術(shù)上解決了數(shù)據(jù)分發(fā)管理中數(shù)據(jù)篡改的責(zé)任認(rèn)定問(wèn)題[58-59]。

1.3.2 不規(guī)則三角網(wǎng)DEM數(shù)字水印算法

不規(guī)則三角網(wǎng)DEM將不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)按一定規(guī)律連接起來(lái)構(gòu)成連續(xù)三角面以逼近地形表面，對(duì)于此類數(shù)據(jù)的數(shù)字水印算法研究較少。但是考慮到其數(shù)據(jù)的組織方式接近三維矢量模型，因而可以借鑒部分三維矢量模型的水印算法的思想對(duì)不規(guī)則三角網(wǎng)DEM進(jìn)行水印嵌入[60]，但是三維矢量模型的水印算法難以保證DEM的精度，影響水印算法的實(shí)用性。從不規(guī)則三角網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)自身的特性出發(fā)，通過(guò)三角網(wǎng)的拓?fù)浼s束關(guān)系選擇能夠嵌入水印的頂點(diǎn)，保證了DEM的精度，避免水印對(duì)三角網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系的影響[61]，映射機(jī)制的建立更能保證水印的同步性[62]。針對(duì)頂點(diǎn)方向、距離等要素，對(duì)于常見(jiàn)攻擊建立評(píng)價(jià)模型，能夠減小水印對(duì)精度的影響[63]?；谒∏度雴卧镁哂袔缀尾蛔冃缘腘IELSON范數(shù)嵌入水印，使水印算法能夠抵抗增刪攻擊、幾何變換攻擊和拼接攻擊等，抗差性得到了進(jìn)一步的提升[64-65]。通過(guò)遍歷選擇標(biāo)記的三角面，在球面坐標(biāo)系中嵌入脆弱水印，能夠?qū)崿F(xiàn)不規(guī)則三角網(wǎng)DEM的完整性認(rèn)證，并對(duì)幾何攻擊具有抗差性[66]。

不論是規(guī)則格網(wǎng)DEM還是不規(guī)則三角網(wǎng)DEM，其安全保護(hù)的需求越來(lái)越多樣化，進(jìn)一步提升算法抗差性，將不同功能的水印相結(jié)合，是目前DEM水印算法研究中的重點(diǎn)。

2 地理數(shù)據(jù)加密控制技術(shù)研究進(jìn)展

地理數(shù)據(jù)的加密控制技術(shù)需要結(jié)合地理數(shù)據(jù)、操作系統(tǒng)、軟件平臺(tái)在計(jì)算機(jī)底層對(duì)地理數(shù)據(jù)訪問(wèn)權(quán)限進(jìn)行管理，防止用戶對(duì)非授權(quán)訪問(wèn)地理數(shù)據(jù)的越權(quán)讀取、篡改、竊取和濫用。與數(shù)字水印在安全事件事后發(fā)揮作用相比，加密控制能夠事先預(yù)防數(shù)據(jù)的侵權(quán)、盜版、泄密等行為，安全力度和保護(hù)措施更嚴(yán)格，需要消耗更多的資源和性能，對(duì)數(shù)據(jù)的軟硬件環(huán)境要求更為苛刻。

加密控制在地理數(shù)據(jù)的安全保護(hù)中已有一些研究。對(duì)于地理數(shù)據(jù)的加密控制，主要從粒度控制、角色授權(quán)、數(shù)據(jù)空間特征、控制策略等方面展開(kāi)具體的模型和算法研究。基于角色的訪問(wèn)控制(RBAC)理論，通過(guò)定義用戶的角色、角色授權(quán)，以圖層及圖元為粒度實(shí)現(xiàn)控制，滿足了不同角色的業(yè)務(wù)分級(jí)、職責(zé)分擔(dān)而產(chǎn)生的復(fù)雜權(quán)限控制要求[67-68]。進(jìn)一步的，RBAC相關(guān)理論可以嵌套在GIS軟件中形成自有的權(quán)限控制功能[68-69]。多層級(jí)的RBAC模型設(shè)計(jì)，能夠提供更細(xì)粒度的訪問(wèn)控制功能[70]。在此基礎(chǔ)上，引入動(dòng)態(tài)化、傳播化、可度量的信任特性和信任函數(shù)，能夠滿足RBAC模型對(duì)分布式系統(tǒng)的適應(yīng)性[71]。

地理數(shù)據(jù)的訪問(wèn)控制研究需要更多地考慮其空間特征。在用戶和角色權(quán)限基礎(chǔ)上，通過(guò)空間約束和訪問(wèn)條件，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度的地理數(shù)據(jù)加密控制模型[72-73]。結(jié)合地理數(shù)據(jù)的多尺度與屬性特征，通過(guò)擴(kuò)展元屬性與引入加解密機(jī)制，基于屬性的訪問(wèn)控制模型能夠支持多種粒度的訪問(wèn)控制，具有靈活性與可擴(kuò)展性[74]。多粒度的時(shí)空相關(guān)訪問(wèn)控制模型在RBAC模型基礎(chǔ)上引入上下文要素和空間約束關(guān)系，能夠提供基于地圖粒度、圖層粒度、地物粒度和地物視圖粒度的多粒度空間數(shù)據(jù)訪問(wèn)模型[75]。數(shù)字水印提供的版權(quán)鑒定功能，能夠有機(jī)的與訪問(wèn)控制結(jié)合，實(shí)現(xiàn)服務(wù)訪問(wèn)與數(shù)據(jù)獲取的分級(jí)控制，有效保護(hù)地理信息服務(wù)過(guò)程中的數(shù)據(jù)安全[76]。綜合考慮了角色、行為、視圖和上下文屬性的訪問(wèn)控制模型，給予了地理數(shù)據(jù)的管理、訪問(wèn)、屬性等具體的、準(zhǔn)確的、無(wú)歧義的表述[77]。針對(duì)涉密數(shù)據(jù)主機(jī)的外部端口控制問(wèn)題，建立了包含安全策略、控制、審計(jì)和報(bào)警的安全模型，依據(jù)生成的訪問(wèn)控制矩陣來(lái)阻止地理數(shù)據(jù)的非法泄密[78]。對(duì)于時(shí)間權(quán)限管理、用戶權(quán)限管理等要求較高的環(huán)境，通過(guò)文件系統(tǒng)過(guò)濾驅(qū)動(dòng)及透明加密技術(shù)，實(shí)時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)加解密和權(quán)限判斷[79]，并利用數(shù)字水印技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)版權(quán)的高效穩(wěn)定檢測(cè)[80]，從而實(shí)現(xiàn)貫徹地理數(shù)據(jù)生命周期的安全管理。

目前，地理數(shù)據(jù)加密控制的研究大多借鑒計(jì)算機(jī)科學(xué)已有理論，并結(jié)合地理數(shù)據(jù)的空間特征、部署環(huán)境和敏感性開(kāi)展研究，理論方面成果相對(duì)較多，能夠應(yīng)用于實(shí)際方面的成果還較少。

3 應(yīng)用現(xiàn)狀

地理數(shù)據(jù)數(shù)字水印技術(shù)和加密控制技術(shù)作為事后追究和事先防范的代表性技術(shù)，在地理數(shù)據(jù)安全保護(hù)中各具特色，可以互為補(bǔ)充、結(jié)合使用，為地理數(shù)據(jù)構(gòu)建立體的安全保護(hù)體系。近年來(lái)，地理數(shù)據(jù)數(shù)字水印技術(shù)和加密控制技術(shù)研究取得了許多理論成果，而這些理論成果的最終目的是能夠?qū)嶋H應(yīng)用于地理數(shù)據(jù)的安全保護(hù)。目前，隨著地理數(shù)據(jù)應(yīng)用和共享的廣泛展開(kāi)，地理數(shù)據(jù)數(shù)字水印技術(shù)和加密控制技術(shù)的應(yīng)用需求十分迫切，將理論研究成果轉(zhuǎn)化，研發(fā)和應(yīng)用具有實(shí)用性、可靠性和安全性的地理數(shù)據(jù)數(shù)字水印和加密控制軟件系統(tǒng)同樣十分迫切。

與理論研究常常側(cè)重于技術(shù)的某一點(diǎn)不同，實(shí)用的地理數(shù)據(jù)數(shù)字水印和加密控制軟件系統(tǒng)需要統(tǒng)籌兼顧數(shù)據(jù)量、拓?fù)潢P(guān)系、精度、水印信息容量、抗差性、效率、可用性、可靠性、保密性、安全性等特征，這些特征相互制約、缺一不可。因此，研究實(shí)用的地理數(shù)據(jù)數(shù)字水印和加密控制軟件系統(tǒng)不僅需要堅(jiān)實(shí)、系統(tǒng)的理論研究基礎(chǔ)，還需要結(jié)合實(shí)際需求和應(yīng)用展開(kāi)統(tǒng)籌研發(fā)。

2000年以來(lái)，國(guó)內(nèi)相關(guān)部門和單位展開(kāi)了地理數(shù)據(jù)數(shù)字水印和加密控制軟件系統(tǒng)的研制與應(yīng)用，其中包括南京師范大學(xué)、信息工程大學(xué)、北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院、中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院、大連艦艇學(xué)院、西安測(cè)繪研究所等單位，其中北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院研發(fā)的地理數(shù)據(jù)數(shù)字水印軟件系統(tǒng)于2003年由國(guó)家測(cè)繪局下發(fā)至各省級(jí)測(cè)繪部門，在一定時(shí)期內(nèi)對(duì)地理數(shù)據(jù)安全發(fā)揮了重要作用。南京師范大學(xué)于2008年開(kāi)始研發(fā)的“吉印”地理數(shù)據(jù)數(shù)字水印和加密控制軟件系統(tǒng)，基于嚴(yán)密、系統(tǒng)和深入的理論研究成果，日臻成熟，已廣泛應(yīng)用于多家國(guó)家級(jí)和省級(jí)的測(cè)繪、規(guī)劃、國(guó)土、公安、林業(yè)、水利、交通等部門。

在實(shí)際應(yīng)用方面，基于對(duì)地理數(shù)據(jù)安全重要性的認(rèn)識(shí)，國(guó)家和軍隊(duì)的許多部門都應(yīng)用地理數(shù)據(jù)數(shù)字水印和加密控制軟件系統(tǒng)保護(hù)自身數(shù)據(jù)的安全，其中包括國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心、國(guó)家測(cè)繪地理信息局衛(wèi)星測(cè)繪應(yīng)用中心、國(guó)家“天地圖”主節(jié)點(diǎn)、全國(guó)地質(zhì)資料館、20余省級(jí)測(cè)繪地理信息中心以及許多市、縣級(jí)地理數(shù)據(jù)管理部門。附著落實(shí)《中華人民共和國(guó)測(cè)繪法》提出的“測(cè)繪成果保管單位應(yīng)當(dāng)采取措施保障測(cè)繪成果的完整和安全”、“實(shí)行可追溯管理”的現(xiàn)勢(shì)要求，地理數(shù)據(jù)數(shù)字水印和加密控制軟件系統(tǒng)將會(huì)在更大范圍內(nèi)使用，將為地理數(shù)據(jù)分發(fā)、管理、流轉(zhuǎn)、共享等提供可靠的安全保障，保證地理信息行業(yè)的健康、有序、快速發(fā)展。

4 研究展望

隨著目前大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等信息技術(shù)的發(fā)展，地理數(shù)據(jù)的安全保護(hù)需求也愈發(fā)趨向多元化、多層次，數(shù)字水印和加密控制的研究面臨越來(lái)越多的要求和挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的基于單機(jī)環(huán)境、局域網(wǎng)環(huán)境的安全保護(hù)方案難以滿足多層次復(fù)雜化的需求。目前，對(duì)于地理數(shù)據(jù)的安全保護(hù)，未來(lái)可從以下幾個(gè)方面展開(kāi)研究。

4.1 地理數(shù)據(jù)的安全語(yǔ)義和安全規(guī)則研究

基于地理數(shù)據(jù)的本質(zhì)內(nèi)容和空間特征，從地理數(shù)據(jù)的安全角度出發(fā)，構(gòu)建包含數(shù)字水印、加密解密、訪問(wèn)控制、密鑰、可信計(jì)算等安全內(nèi)容在內(nèi)的地理數(shù)據(jù)安全基本模型，結(jié)合應(yīng)用環(huán)境推定安全語(yǔ)義和安全規(guī)則，突出空間位置和特征的要素關(guān)系，實(shí)現(xiàn)從定性到定量的安全實(shí)施方案探索，從抽象的角度建立具有普適性的安全實(shí)施方法論，對(duì)于地理數(shù)據(jù)的安全研究具有重要的啟示意義。

4.2 地理數(shù)據(jù)數(shù)字水印和加密控制模型的深入研究

地理數(shù)據(jù)數(shù)字水印和加密控制技術(shù)已取得了許多研究成果，但隨著研究和應(yīng)用的深入，新的問(wèn)題接踵而來(lái)。從理論上講，提高模型的抗差性、效率等還有許多難題需要解決；抗差水印的研究較多，而脆弱水印的研究還較少；基于特征的第2代地理數(shù)據(jù)數(shù)字水印技術(shù)尚處于初步階段，加密控制的規(guī)則、策略、模型等還需要深入研究。從應(yīng)用上講，針對(duì)多級(jí)分發(fā)的多級(jí)水印、多版權(quán)保護(hù)的多重水印等是目前研究的重點(diǎn)，加密控制算法的穩(wěn)定性、效率及與應(yīng)用的結(jié)合等還需要深入研究，不斷完善地理數(shù)據(jù)數(shù)字水印和加密控制軟件系統(tǒng)更是一個(gè)長(zhǎng)期的工作。

4.3 大數(shù)據(jù)環(huán)境下的地理數(shù)據(jù)安全保護(hù)技術(shù)研究

大數(shù)據(jù)的環(huán)境不僅表征著數(shù)據(jù)量的大小，更代表著地理大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)形態(tài)多樣、數(shù)據(jù)源復(fù)雜、數(shù)據(jù)質(zhì)量不確定、數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一等特性，需要研究能夠適用于大數(shù)據(jù)環(huán)境下的數(shù)字水印和加密控制技術(shù)。MapReduce作為經(jīng)典的大數(shù)據(jù)處理模型[81]，能夠?yàn)榇髷?shù)據(jù)環(huán)境下數(shù)字水印的生成、嵌入和提取提供方法。針對(duì)不同空間位置和幾何信息的多重粒度訪問(wèn)控制也為大數(shù)據(jù)環(huán)境下的地理空間訪問(wèn)控制提供了解決問(wèn)題的契機(jī)，但是如何具體地實(shí)施此類安全保護(hù)方案，并在大數(shù)據(jù)環(huán)境中顧及效率需求、能耗需求和適用環(huán)境需求，是需要深入開(kāi)展研究的科學(xué)問(wèn)題。

4.4 云環(huán)境下的地理數(shù)據(jù)安全保護(hù)方法研究

公有云、私有云的出現(xiàn)，給數(shù)據(jù)的訪問(wèn)、管理、操控等帶來(lái)方便的同時(shí)，也帶來(lái)了相當(dāng)?shù)陌踩[患。地理數(shù)據(jù)具有高度的敏感性，公有云的存儲(chǔ)需要解決數(shù)據(jù)訪問(wèn)過(guò)程和傳輸過(guò)程中的安全通信、加密鏈接等問(wèn)題，訪問(wèn)控制的數(shù)據(jù)管理范圍也從局域網(wǎng)擴(kuò)展到云端和本地端，如何更好地確定數(shù)據(jù)安全管理范圍，是訪問(wèn)控制需要解決的迫切問(wèn)題。利用數(shù)字水印實(shí)現(xiàn)地理數(shù)據(jù)的版本管理、授權(quán)認(rèn)證、完整性認(rèn)證，為云環(huán)境的安全保護(hù)提供了可靠的解決途徑。

4.5 網(wǎng)絡(luò)分發(fā)中的地理數(shù)據(jù)安全保護(hù)研究

結(jié)合數(shù)字水印技術(shù)更適合于版權(quán)追蹤、加密控制技術(shù)更適合于權(quán)限控制的特性，在網(wǎng)絡(luò)分發(fā)和傳輸中兩者的綜合應(yīng)用將更好服務(wù)于地理數(shù)據(jù)安全保護(hù)，從數(shù)據(jù)分發(fā)前到數(shù)據(jù)使用后，在數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的整個(gè)生命周期內(nèi)同時(shí)使用數(shù)字水印技術(shù)和加密控制技術(shù)，將地理數(shù)據(jù)的安全性提升到新的高度。如何使數(shù)字水印技術(shù)和加密控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合，避免其相互影響、相互覆蓋，從而動(dòng)態(tài)生成地理數(shù)據(jù)的數(shù)字水印，實(shí)現(xiàn)基于空間屬性的動(dòng)態(tài)訪問(wèn)控制策略，也是網(wǎng)絡(luò)地理數(shù)據(jù)分發(fā)中需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著地理數(shù)據(jù)應(yīng)用價(jià)值的日益凸顯、地理數(shù)據(jù)共享需求的日益旺盛，地理數(shù)據(jù)的安全問(wèn)題變得愈發(fā)不容忽視。數(shù)字水印和加密控制作為地理數(shù)據(jù)安全保護(hù)方面的前沿技術(shù)，在地理數(shù)據(jù)安全保護(hù)中扮演著重要的、不可替代的角色。面對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)代的地理數(shù)據(jù)，只有深刻分析地理數(shù)據(jù)安全特征，不斷深入挖掘與研究數(shù)據(jù)安全的關(guān)鍵理論，緊跟信息技術(shù)的前沿思想和潮流，結(jié)合實(shí)際推動(dòng)技術(shù)手段的應(yīng)用、擴(kuò)展、融合與完善，才能真正發(fā)揮數(shù)字水印和加密控制對(duì)于地理數(shù)據(jù)的安全保護(hù)作用，實(shí)現(xiàn)地理數(shù)據(jù)的安全共享與交換。

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(責(zé)任編輯：宋啟凡)

Research Progresses in Digital Watermarking and Encryption Control for Geographical Data

ZHU Changqing1，2

1. Key Laboratory of Virtual Geographic Environment， Nanjing Normal University, Ministry of Education, Nanjing 210023, China; 2. Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application, Nanjing 210023, China

With the rapid growth in application and requirement for sharing geographical data, the problem of geographical data security arises prominently. The security of geographical data not only affects the healthy development of the geographical information industry, but also has connections construction of national defense and national security. Digital watermarking and encryption control techniques have become frontier techniques and effective solutions for achieving protection of geographical data. Recently, the research and application of digital watermarking techniques have experienced fast development. In this study, the research background and requirements of digital watermarking and encryption control is introduced. In addition, this paper analyzes and evaluates their theories, models and research progresses and discusses the related software development and application status. Finally, the future routes of theoretical research and applications of digital watermarking are prospected based on the developing trend of geographic information industry and information techniques.

geographical data security；digital watermarking；encryption control；research progress；application

The Key Program of the National Social Science Foundation of China(No. 11&ZD162)；Industry Research Special Funds for Public Welfare Projects(Nos. 201512021;201512019)

朱長(zhǎng)青.地理數(shù)據(jù)數(shù)字水印和加密控制技術(shù)研究進(jìn)展[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2017,46(10)：1609-1619.

10.11947/j.AGCS.2017.20170301.

ZHU Changqing.Research Progresses in Digital Watermarking and Encryption Control for Geographical Data[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(10):1609-1619. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20170301.

P208

A

1001-1595(2017)10-1609-11

國(guó)家社科基金重大項(xiàng)目(11&ZD162)；公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201512021；201512019)

2017-06-12

修回日期： 2017-09-01

朱長(zhǎng)青(1962—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榭臻g數(shù)據(jù)安全、空間數(shù)據(jù)不確定性等。

Author： ZHU Changqing(1962—)，male, professor, PhD supervisor，majors in security and uncertainties of spatial data.

E-mail： zcq88@263.net