地理语义支持的矢量数据高保真水印模型研究

The previous vector geo-spatial data watermarking models evaluate the fidelity of watermarked data only by the use of the absolute errors between the two corresponding points. While it may be appropriate and enough for image data, but not for vector geo-spatial data. This study will build a high-fidelity vector geo-spatial data watermarking model in support of the geographic semantic knowledge to overcome the above shortcomings. The research will mainly be guided by the fact that according to different data types and their respective usages, the term fidelity could have different meanings. Research work will focus on the following three aspects: (1) proposal of the quantitative measures and description rules of data fidelity for different data types in a variety of applications; (2) establishment of the mathematical watermarking model targeting at high-fidelity and the corresponding low false-positive error driven watermark extraction model; and (3) evaluation of the fidelity and robustness of the proposed watermarking model. The work which can enhance the practicality of the watermarking model and be applied directly to the secure distribution of vector geo-spatial data is a kind of supplement of the previous related works, and will shows great academic value and practical significance.

现有矢量空间数据水印模型研究工作对数据保真度的考虑仅局限于数据顶点的绝对误差，水印模型的实用性因此受到很大限制。本研究拟在地理语义知识支持下，研究建立矢量数据的高保真水印模型，以弥补上述不足。主要围绕以下两点对水印操作过程展开建模研究： a)不同地理特征类型的空间地物，几何图形特征不同，保真度侧重点相应地不同；及b)同一地理特征类型的数据，应用背景不同,数据保真度侧重点也不同。主要研究以下三方面内容：(1)分析不同地理特征类型空间地物的几何图形特征及各种应用场合下的数据应用需求的特点，建立对应的保真度量化描述规则库；(2)研究建立以高保真度为求解目标的水印数学模型，并建立对应的低误检率驱动的水印提取模型；(3)对水印模型的保真度和鲁棒性进行分析和测试。研究成果是对现有矢量空间数据水印理论模型研究的完善，提升水印模型的实用性，可直接应用于矢量空间数据的安全分发，具有重要的学术价值和现实意义。

地理信息系统(GIS)应用已发展到大众化的社会应用水平，要求承载地理信息的空间数据具备相应广度的分发范围。在这样的背景下，解决空间数据的版权保护问题，保障地理空间数据的安全分发，已迫在眉睫。作为版权保护的首选解决方案，地理空间数据数字水印已引起国内外不少学者的兴趣，并为此做了大量的研究工作。但现有工作主要侧重于如何提高水印模型的鲁棒性，对数据的保真度考虑不够，从而影响水印的不可见性及数据的可用性。..本研究从地理信息科学的角度，对矢量地理空间数据数字水印模型的保真度进行建模。基于此，提出地理空间数据的高保真水印模型。主要研究了以下内容：.（1）在明晰保真度内涵的基础上，基于地理语义，对保真度进行全面、完备的描述，建立保真度描述知识规则库，为后续的水印载体建模提供依据，为水印调制提供方程求解目标，以及为水印模型保真度评价提供技术参数；.（2）基于建立的保真度描述知识规则库，从原始数据中提取出水印载体，并建立以高保真度为求解目标的水印嵌入优化函数，从而将水印信息调制于水印载体中。研究了低误检率驱动的水印提取函数，基于给定的误检率提取水印信息；.（3）基于保真度描述知识规则库，计算、分析并评价水印版本数据保真度；分析并测试模型对各类矢量数据水印攻击方法的抵抗能力；调整模型参数，分析模型在保真度及鲁棒性方面的变化特点，找到保真度与鲁棒性矛盾双方对立统一的最佳平衡点。..在经过相关调研，理论研究及实验测试的基础上，取得了如下初步研究结果：.（1）地理空间数据的地理语义信息十分丰富，应用环境多样，呈现不同的应用需求特点。据此，对应用敏感数据特征集合进行建模，在此基础上定义的保真度指标能更真实地反映数据的可用性变化；.（2）以高保真度为求解目标，采用多目标优化模型调制水印信息，来达到不影响数据在该特定应用环境中的可用性的目的，这种方法是可行的；.（3）遍历保真度描述知识规则库，预先建立不同地理语义特征及应用需求的地理空间数据水印嵌入目标函数的优化方法，形成数据处理方法库，以提高水印信息嵌入过程的实时性，是必要的。..总地来说，课题基于数据地理语义的支持，从地理信息科学的角度，对矢量地理空间数据水印算法的保真度涵义进行了较深刻的分析。在此基础上，对矢量地理空间数据高保真水印模型从理论和实验两方面进行了较系统的初步探索。