好书推荐 | 《地理空间矢量数据数字水印技术》：基于数字水印技术的解决方案

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地理空间矢量数据是地理信息系统（geographic information system，GIS）应用的核心。随着地理空间矢量数据生产和传播的“数字化”和“网络化”，其安全问题日益凸显，侵权、泄密和非法传播与使用等行为屡屡发生。地理空间矢量数据以数字化的形式保存，在方便数据拷贝和传播的同时，也使盗版变得极其容易。仅仅依靠传统的安全保密措施，不能有效遏制诸如此类数据安全事故的发生，地理空间矢量数据的安全迫切需要可靠、有效的技术来保障。为解决数字内容的版权保护问题，数字水印技术应运而生。数字水印是保护数字地图版权的一种有效方法，随着地理空间矢量数据安全保护需求的日益增加，其在地理空间矢量数据安全保护中起着越来越重要的作用。

《地理空间矢量数据数字水印技术》（张黎明，闫浩文著. 北京：科学出版社，2017.11）一书深入分析了地理空间矢量数据数字水印技术的特征，以归一化方法、映射函数、离散傅里叶变换（discrete fourier transform，DFT）和数理统计等数学理论为工具，结合GIS 理论及地理空间矢量数据的特征，研究了一系列地理空间矢量数据数字水印算法，对地理空间矢量数据版权保护提出了基于数字水印的解决方案。

▲地理空间矢量数据数字水印技术研究的技术路线图

研究内容及创新

本书研究的主要内容及创新包括以下五个方面。

1

地理空间矢量数据数字水印特征及攻击研究

以数字水印技术基本理论为基础，在总结和分析现有研究成果的基础上，分析空间域和变换域地理空间矢量数据数字水印技术的特征，结合地理空间矢量数据的本质特征、数据结构、存储方法和数据传播等特点，研究在数字水印嵌入、数字水印检测和版权认证等方面，地理空间矢量数据数字水印的基本特征。以鲁棒性为技术指标，分析地理空间矢量数据数字水印算法攻击类型、数字水印算法可能受到的恶意攻击及正常使用中可能破坏数字水印的操作，研究地理空间矢量数据数字水印算法攻击模型。

2

抵抗几何变换攻击的空间域地理空间矢量数据数字水印算法研究

应用数学方法，研究能够抵抗几何变换攻击的空间域数字水印算法，以增强空间域数字水印算法的鲁棒性。空间域数字水印算法具有算法简单和误差容易控制等特点，特别是对地理空间矢量数据数字水印中的顶点攻击具有较好的鲁棒性。但是，空间域数字水印算法往往难以抵抗平移和缩放等几何变换攻击，算法的实用性大大降低。近年来，部分学者提出应用数学中的常函数或地理空间矢量数据几何变换中具有不变性的变量或者应用空间域数字水印算法嵌入数字水印，这为抵抗几何变换攻击的空间域数字水印算法研究开辟了新的研究思路。

3

DFT变换域地理空间矢量数据数字水印算法中误差控制研究

变换域数字水印算法鲁棒性较高，而DFT 变换域数字水印算法具有抵抗几何变换攻击的优势，但传统的DFT 变换域数字水印算法中，数字水印直接嵌入变换后的系数，导致地理空间矢量数据误差较大。针对这一问题，本书从地理空间矢量数据数字水印嵌入方法入手，以满足地理空间矢量数据精度要求为首要条件，研究解决变换域数字水印算法中，鲁棒性与数字水印嵌入强度之间的矛盾，设计实用、高效的鲁棒性数字水印算法。

4

多技术融合的地理空间矢量数据数字水印算法研究

单一数字水印技术的地理空间矢量数据数字水印算法，往往只能抵抗部分类型的数字水印攻击，在某些情况下，多类型的组合攻击可能会导致数字水印提取失败。在地理空间矢量数据中应用两种或两种以上数字水印技术，嵌入两个以上相同或不同的数字水印，可以抵抗多种类型的数字水印攻击，提高鲁棒性。以典型的地理空间矢量数据数字水印算法为基础，结合地理空间矢量数据数字水印攻击特征，分析现有数字水印算法的优势和不足，构建多技术融合的地理空间矢量数据数字水印算法，并对算法进行实验验证和分析。

5

抵抗投影攻击的地理空间矢量数据数字水印算法研究

投影变换、坐标系变换是地理空间矢量数据使用中最基本的操作，能够抵抗此类攻击的数字水印算法鲜有研究。以地图学基本理论、投影变换原理与方法为基础，对投影变换、坐标系变换如何影响地理空间矢量数据数字水印进行深入分析，设计能够抵抗投影变换、坐标系变换攻击的数字水印算法。

组织结构

本书分为7 章，由兰州交通大学测绘与地理信息学院张黎明博士、闫浩文教授共同组织撰写，闫浩文教授负责统稿及审定全稿。各章内容安排如下。

第一章

绪论，主要介绍了地理空间矢量数据数字水印技术的研究背景、研究意义、国内外研究现状和不足，以及研究内容、技术路线和组织情况。

第二章

地理空间矢量数据数字水印技术基础，介绍了数字水印基本概念、基本框架、数字水印的置乱技术；从地理空间矢量数据结构及特征、数字水印技术特征及数字水印攻击方式三个方面深入分析了地理空间矢量数据数字水印技术特征。

第三章

地理空间矢量数据空间域盲数字水印技术，提出了两种不同的地理空间矢量数据空间域盲数字水印算法，运用数据处理中的最小-最大归一化方法，构建数字水印嵌入空间，在此基础上，提出了归一化的地理空间矢量数据盲数字水印算法；基于QR 码编码技术，并改进了传统的最低有效位（least significant bit，LSB）算法，提出了二维码（quick response code，QR 码）编码的地理空间矢量数据数字水印算法，对两个算法的正确性和鲁棒性进行了试验验证及分析。

第四章

地理空间矢量数据变换域盲数字水印技术，首先，对抵抗几何攻击的DFT 变换域数字水印算法进行研究，分析了DFT 变换域数字水印算法引起数据误差较大的原因，提出了可控误差的DFT 变换域数字水印算法；其次，针对DFT 变换域数字水印算法局部性较差的缺陷，提出了基于特征点的DFT 变换域数字水印算法；最后，针对DFT 变换域数字水印算法不能直接应用于矢量空间点数据的问题，提出了利用规则格网划分空间数据，建立虚拟线要素对象，再运用DFT 变换域数字水印算法实施数字水印嵌入、提取。

第五章

多技术融合的地理空间矢量数据数字水印技术，提出了一种空间域和DFT 变换域相结合的多重数字水印算法：首先，在空间域中，运用量化索引调制（quantization index modulation，QIM）方法嵌入水印1，其次，对所有要素对象，在DFT 变换域嵌入水印2，算法很好地解决了数字水印覆盖的问题，且保持了两种数字水印技术各自的优点。

第六章

抵抗投影变换攻击的地理空间矢量数据盲数字水印技术，提出了一种解决投影变换攻击和坐标系变换攻击水印解决方案，在数字水印嵌入时，转换原始数据到WGS84 地理坐标系，将数字水印嵌入WGS84 坐标系空间数据。在数字水印提取时，只需把含数字水印数据转换到WGS84 坐标系后，即可提取数字水印信息，该算法采用了鲁棒性高的DFT 变换域数字水印算法。

第七章

总结和展望，对本书研究工作进行总结，分析了未来需要进一步深入研究的相关问题。

本文原作摘编自《地理空间矢量数据数字水印技术》（张黎明，闫浩文著. 北京：科学出版社，2017.11）一书“前言”“第1章 绪论”，有删减，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-055140-5

责任编辑：刘浩旻 赵丹丹

地理空间数据是GIS 应用的核心，其对国民经济、国防建设和人类生活起着重要的作用，已广泛应用于社会各行业、各部门，如城市规划、交通、银行、环保、通信航空航天等。数字水印是保护数字地图版权的一种有效方法，随着地理空间数据安全保护需求的日益增加，数字水印技术必将发挥着越来越重要的作用。《地理空间矢量数据数字水印技术》系统论述了地理空间矢量数据数字水印技术的基本概念和基本原理，是笔者在这一领域的最新研究成果。其主要内容包括：地理空间矢量数据数字水印技术的研究进展、地理空间矢量数据数字水印技术的理论基础、地理空间矢量数据空间域数字水印技术、地理空间矢量数据变换域数字水印技术、多技术融合的地理空间矢量数据数字水印技术和抵抗投影攻击的地理空间矢量数据数字水印技术等。

文章来源：赛杰奥

本期编辑：李咪 王丽佳 张英男 彭玏

审核人：任宇飞 王冠

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