作者：夏松竹,孙建国
出版社：通信图书编辑部
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数字地图无损信息隐藏技术研究试读：
前言
2006年9月，我正式进入哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院成为一名博士研究生，作为一名计算机应用技术专业的博士生，应该做些什么，如何确定自己的研究方向，让自己不虚度学业，让自己的“科研生命”长青，这是摆在我面前的严峻问题。
在确定研究方向的时候，我主要考虑了以下几个问题：1）必须是一个关系国民经济或国家发展的关键命题；2）必须是一个实际的科研问题，不那么虚无缥缈；3）必须是一个交叉领域问题，不需要过于热门。在这样的背景下，结合我的个人爱好和知识积累，确定了自己的科研方向：数字矢量地图版权保护技术研究。
2007年9月，我开始进入博士学位论文研究阶段，当时能够检索到的相关国内外核心期刊论文和会议论文不过百篇，这对于一个研究方向或者领域来说，数目可谓寥寥无几。但是，我坚信我这个领域不会太冷，而且一定会逐渐“春暖花开”。事实证明，当时的想法是对的，当然这是后话。在当时我还是理清了思绪，耐心阅读了所有的可检索到的论文，并进行了适当的扩展阅读，最终选择了影像地图数字水印技术作为自己的研究领域。
完成综述后，我和我的学生们发现，矢量地图数字水印技术种类繁多，所依托的理论、数学模型千差万别。如何进行比较和性能分析呢？不知彼长，如何确定己短呢？衡量的标准是什么，指标体系如何确定？为此，我决定从水印技术性能评测入手，分为定性和定量两个阶段，后者可以利用公认的顽健性、不可见性、容量等关键要素，前者可以从安全性、稳定性考虑，提出基于可信度的性能评价模型。
随着信息处理技术和网络技术的快速发展，数字影像地图已逐步成为地理信息系统、智能交通运输系统、数字化城市和数字化国防建设等方面必需的保障资源。数字影像地图的地理信息翔实准确，具有巨大的经济价值和战略意义。同时，数字影像地图制作成本极高，针对数字影像地图的非法拷贝、窃取等侵权行为也日益猖獗。对于数字影像地图的数据安全防范措施稍有不当，就会给企业造成损失，甚至会对国家安全带来严重的威胁。为此，数字影像地图的内容安全问题已受到我国政府、军队和科研院所以及相应企业的关注。数字影像地图水印技术是一种解决数字矢量地图版权保护问题的常用手段。虽然人们对数字矢量地图水印技术进行了近20年的研究，提出了若干技术并试图解决数字矢量地图在应用中遇到的各类安全问题，但这些技术并没有很好地解决水印或信息隐藏技术对于地图内容的无损问题。
我的研究思想是以数字地图的两大类别——数字矢量地图和数字影像地图为主要研究对象，以无损信息隐藏为研究内容，从数字地图的实用角度出发，深入研究可满足数字矢量地图内容无损要求、抵抗多种攻击方式的数字地图无损信息隐藏水印技术。本书的创新工作主要包括以下几个方面。
首先，结合数字矢量地图的特点以及小波分形理论，本书提出了基于小波分形无损的零水印算法，并且详细介绍了基于小波分形无损的零水印算法的技术实现过程，通过有效性、顽健性、IBM攻击测试等实验表明，该技术对数字矢量地图的精度无损，且具有较高的顽健性，结合第三方认证机制，该技术可以完全抵制IBM攻击，使该水印技术具备真正的可行性和实用性。
其次，针对空间域算法主要是通过修改像素信息来嵌入水印，技术实现简单，顽健性差，对图像的损伤也较大，具有无法抵抗多种攻击等缺点，本书提出了基于波段叠加的数字影像地图无损信息隐藏技术，以IMG格式的数字影像地图为例详细介绍了技术的实现流程。经过抗攻击性能测试、不可见性检测与分析等方式，验证结论表明该技术达到了水印无损嵌入和提取的目标，且具有较高的顽健性和隐蔽性。
最后，在数字矢量地图零水印技术和数字影像地图无损信息隐藏技术研究的基础上，针对上述无损信息隐藏技术地图格式依赖性强、自适应性差的特点，本书提出了格式无关的数字地图可逆数字水印技术。该技术运用云模型的不确定性特征，实现了对主流格式数字地图的无损信息隐藏，相继介绍了云水印的生成、嵌入和提取方法，并就此进行了大量的实验验证。依据云的模糊性和随机性理论，当部分水印云滴受到攻击后，云模型也不会有太大变化，因而具有较好的顽健性。该算法可适应于数字矢量地图、数字影像地图等多种格式的数字地图。
本书比较全面、系统地论述了数字地图信息隐藏技术的关键理论和技术问题，主要内容包括数字地图的基本特征、水印算法的基本原理、基于小波分形的水印技术、基于波段叠加的水印技术、格式无关的可逆水印技术等。
全书共分为5章，每章都包含了作者近年的科研成果。第1章简要介绍研究背景、研究目标以及国内外有关数字地图信息隐藏算法的研究现状。第2章介绍了数字地图信息隐藏技术的基本原理，数字地图基本概念，数字地图制作的基本过程，数字地图分类及数字地图信息隐藏相关技术和数字地图无损信息隐藏的特点。第3章为数字矢量地图无损数字水印算法原理及相关内容的研究，介绍了信息隐藏技术、无损和可逆水印技术、基于分形技术的零水印等概念和技术，并分析了小波、分形、多图分形。在第3章的最后重点介绍了基于小波分形无损的零水印算法。该算法包括小波变换及低频系数块提取、分形相似匹配、水印的生成与注册、基于第三方的数字水印认证、水印检测与提取。第4章针对影像地图空间域算法顽健性较差、对图的损伤大、无法抵抗多种攻击，频率域算法比较复杂、对图像的质量有一定的影响、无法抵抗多种组合攻击的问题，提出基于波段叠加的零水印算法。该算法实现了完全无损的水印嵌入与提取，不对地图文件造成任何损坏，并具有较好的顽健性及不可见性。第5章在第3章和第4章研究成果的基础上，提出了格式无关的数字地图无损数字水印算法。该算法利用云模型的随机性和模糊性，把云作为水印信息嵌入到数字地图中，提出了在数字地图中嵌入和提取云水印的算法。该算法具有很好的顽健性，并且该算法自适应性较强，适应于数字矢量地图、数字影像地图等数字地图，与文件格式无关。
本书是哈尔滨工程大学计算机信息安全研究团队全体师生的研究成果结晶。本书是国家自然科学基金、教育部高等学校博士点基金、黑龙江省自然科学基金、黑龙江省博士后资助经费项目的成果总结。在写作过程中，博士生寇亮、白玉，硕士生刘少林、张文亮、曹翠玲、袁春艳等付出了辛苦工作。特别感谢哈尔滨工程大学张国印教授、马春光教授对本书及个人研究工作的支持和鼓励。
限于作者水平，书中定有疏漏和不当之处，希望大家批评指正并与我进行学术交流，联系方式：xiasongzhu@hrbeu.edu.cn。
希望本书能为推进我国数字地图安全研究尽绵薄之力。第1章绪论1.1背景及意义
随着信息处理技术和网络技术的快速发展，数字地图在地理信息系统、智能交通运输系统、城市规划管理系统、海洋开发等领域获得了广泛应用，它是地理学、测绘、导航、军事等领域开展科学研究的数据基础，具有巨大的可重复利用价值，数字化城市和数字化国防建设都需要数字地图的支撑和保障。数字地图具有地理信息丰富、造价昂贵、经济及军事利益突出等特性，在地理信息相关领域正在得到迅速普及，整个信息化社会对数字地图的依赖程度也越来越大。数字地图已经成为社会发展和经济建设的强大信息资源，其地位越来越重要。伴随着数字地图的推广和应用，也产生了各种各样的数据安全问题，其中，非法拷贝、恶意篡改等数据安全问题尤为突出，它严重威胁着地图所有者的合法利益，对国家安全和经济发展造成重大的潜在威胁。
数字地图的数量递增以及大量应用系统的诞生，促使人们越来越重视数字地图的安全问题。人们在享受地理信息化带来的众多便利的同时，面临着日益突出的信息安全问题。数字地图发布后对传播者的身份认证与权责利的确认，造价昂贵的数字地图地理内容的真实性鉴别等都将成为地图安全防护研究的焦点，这将直接影响到国家主权、经济发展和社会稳定。过去的10多年时间里，我国投入了大量人力财力，建成了不同比例尺和不同用途的数字地图，如何保护这些数字地图的安全是享受科技成果带给军队和国家建设巨大推动力的前提条件。在我国不断发生数字地图失窃或非法拷贝等事件，这对信息国防领域来说无疑是一次次沉重的打击。
了解数字地图面临的各种威胁，防范和消除这些风险，实现真正的数据安全已经成了地理信息相关产业发展中最重要的事情。每个国家都为了商业或者军事的目的，不惜重金来研究数字地图的数据安全。解决数字地图数据安全问题的基本途径是对地图存储介质进行严格管理和控制，可以通过人员保密教育、规章制度约束以及硬件加密手段来实现。但人员和设备因素导致的数据风险是无法预知的，对于数字地图来说，基于人为的恶性操作要比存在漏洞的技术会产生更严重的信息灾难。数字地图水印技术的研究是目前地理信息安全领域研究的重要课题之一。
数字地图水印技术除提供必需的地图版权保护功能外，还具有以下安防目标：1）鉴定地图数据的真伪；2）考察地图内容的完整性；3）追踪泄密地图的来源。传统的数字地图水印技术就是通过信息隐藏来提供版权证明，这种被动且单一的数据防护方法已经不能满足当今信息安全的需求。因此，要建立一个完整的数字地图安全防护体系，需要综合应用多种安全技术，从不同的角度、层次对数字地图进行研究。分析数字地图的内容特征，实现信息的无损隐藏；并通过融入生物信息，实现地图用户身份的识别，保证数字地图的内容不被轻易获得。
按照数字地图数据安全问题的危害性程度，对数字水印技术的安全需求可以分为3个层次：1）版权证明；2）完整性验证；3）防数据泄露。目前，3 个层次的问题都未得到合理有效的解决，数字地图水印技术的研究成果还有很多不理想的地方。如：1）版权证明时，水印技术还无法达到对地图内容零扰动、精度无影响的最佳状态；2）对于地图数据压缩、拟合简化以及坐标系变换等编辑方式，算法的顽健性普遍较弱；3）按照算法公开原则，多数算法均可被逆向破解。
据国内媒体统计，仅2009年，基于GPS的数字地图专项产业规模超过400亿元人民币，其中一半以上为盗版地图。而遏制这种行为的关键技术即为数字水印，如“道道通”产品状告某导航软件公司一案，就是因为道道通的地图出版方瑞图万方在数字地图内加入了数字水印，为案件的审理提供了有力证据。在地图制作过程中，瑞图万方投入了数亿元人民币，1 000 多名专业测绘人员，历时 4年半完成产品研究。数字地图不但测绘研发费用庞大，维护费用也相当昂贵，每次更新都需要千万甚至上亿元人民币。一旦地图被盗版或非法滥用，给地图生产者带来的灾难和损失都难以估量。
为满足迫切的应用需求以及数字化地理信息科学的发展，亟须建立一套保障地理信息资源合法有序使用的安全机制。总之，这是一个面临巨大需求而又需要解决大量关键问题的研究领域，还需要对数字地图的内容特征进行大量的深入研究。如何在提高数字水印算法整体性能的同时消除对数字地图内容的扰动一直是研究的核心问题。1.2基础知识及理论
数字矢量地图的安全防护问题涉及国家安全、商业利益和知识产权保护等方面，是保障我国经济、科学与军事可持续发展的重要因素之一。为保障数字矢量地图的数据安全，国家行政部门和军事主管机构已制定一系列相关的法规来约束和限制数字地图的制作、发放以及传播等环节，如《测绘法》、《基础测绘成果提供使用管理暂行办法》、《关于对外提供我国测绘资料的若干规定》等。这些法规的执行需依靠安全可信的技术保障，这是目前迫切需要解决的重要问题 [1]。
对于数字矢量地图水印技术来说，研究难点在于数字矢量地图的精度要求与数字水印算法实现方式间的矛盾。高精度的地理信息是数字矢量地图得到广泛运用的基本保障，但目前的数字水印算法却是通过调整地物坐标值来完成水印嵌入操作的，这种方式对数字地图的内容必然产生扰动，损伤到地图精度；另一方面，数据拟合是一种广泛运用在数字矢量地图上的编辑手段，该方式能够拟合出近似曲线来获得一幅原始地图的复制品，从而导致水印被去除。1.2.1 数字矢量地图的基本特征
数字地图是以地图数据库为基础，综合利用测绘学知识、数字图像处理技术、数据挖掘、专家系统和相关信息技术等，以数字形式存储在计算机外储存器上，可以在电子屏幕上显示的地图。同绘制或印刷的普通地图相比，数字地图可以携带和传播更庞大容量的信息，利用丰富的坐标、线条和记录形式，能够更全面和生动地描述地形地貌。
按照来源和用途的不同，数字地图可分为数字矢量地形图、数字栅格地形图、数字遥感影像图、数字高程模型图、数字专题图等。
数字地图与传统地图的不同表现在以下几个方面。
1）传统地图主要进行图形数据的绘制，而数字地图则是一些更为复杂的数据类型，例如点、线、多边形等矢量对象及其拓扑关系。
2）传统地图数据在同一幅图内展现，而数字地图的地理数据要根据要素类型分为不同的图层存放。统一分层实现了地理信息的任意抽取，对于专题图制作和数据共享提供了极大的便利。
3）传统地图的更新速度较慢，而数字地图可随时根据需要进行图层重绘，且生产周期短、工艺简单快捷，为数字城市、数字交通和军事国防提供了重要的保障资源。1.2.2 数字水印的定义与实现
数字水印（Digital Watermark）技术是指用信号处理的方法在数字多媒体数据中嵌入隐蔽的标识。数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向。
通常，数字水印必须符合3点特征：1）水印标识的嵌入不会引起数字产品明显的降质；2）数字产品的格式转换不会导致水印数据丢失；3）在经过多次信号处理后，数字水印仍能被鉴别。信号处理包括几何变换、信道噪声、数据压缩等。
从可检索到的国内外文献数量和发表时间看，数字水印的研究正逐步走向实用领域。1998年以来，《IEEE图像处理》、《IEEE通信选题》等多个国际重要期刊都大量刊登了有关数字水印的论文或著作。
数字水印技术尚未有较成熟的理论模型，从实现过程可以划分为水印嵌入、水印检测及提取、相似度比较3个步骤。0
1 ）水印嵌入过程。将制作完成的标识W根据水印算法的嵌入0e规则，嵌入到电子介质D中，生成新的载体D。根据算法类型和需求不同，用户可选择是否生成密钥K。e
2 ）水印检测过程。对于待检测的载体D ，可结合密钥K或直接e根据水印算法的提取规则，检测D中是否存在水印标识，若检测到ee水印标识W ，则需要验证W的真实性和完整性，这一过程称为相似度计算。0
3 ）相似度计算过程。对于原始水印W以及载体中检测到的标ee识W ，通常采用逐比特位比较的方式来判断W的真实性和完整程度，如式（1-1）所示。
其中，N为水印编码的长度。
目前，面向数字图像、声音和视频的数字水印技术发展迅速，且大量应用系统已稳步进入国际市场。主要原因在于计算机和网络技术的发展使这些产品得到了普及，并提出了比较明确的需求。随着通信技术和信息处理技术的发展，产生了大量成熟的数据处理算法。数字水印技术在地理空间数据领域的应用研究还不是很多。1.2.3 水印算法的一般评测标准
数字水印是一个对抗性的研究领域，为了验证数字水印算法的抗攻击性能和实用性能，需要对数字水印算法进行多种形式的攻击测试。
1）几何攻击测试。通过几何变换（如剪切、拼贴、旋转等）改变水印载体数据，进而破坏水印的完整性，甚至移除水印。
2）频域滤波测试。分为线性和非线性两类，通过构造特定频率或改变频域特性，破坏频域系数所包含的水印信息，该类攻击破坏性较强。
3）拷贝攻击测试。多次重复性地获得载体数据，并对数次数据进行均值求取，达到去除或干扰数字水印的目的。
结合多种测试手段，从以下几个方面对水印算法的性能进行具体评测。
1）不可见性。或称透明性。由于水印信息容量的增加极易导致载体数据扰动加剧，因此需要做好二者的平衡关系。通常，采用视觉或听觉感知模型，对水印的透明性进行测试。
2）顽健性。或称稳健性。主要测试水印算法抵抗各种水印攻击的能力。计算攻击后提取到的水印编码同原始水印编码的相似度来度量。
3）安全性。是指破解水印算法或消除数字水印所需要付出的代价及复杂程度。通常，采用定性与定量相结合的方式进行测试。
4）容量。与不可见性、顽健性相制约的性能参数。水印容量的加大必然降低水印的不可见性，削弱水印的顽健性，而为了使水印具有更丰富的语义或证明信息，往往需要较充足的容量。1.2.4 国内外研究情况
鉴于数字矢量地图和数字影像地图的应用领域最广，受到非法侵害和盗版风险最高，所以研究人员也集中研究上述类型地图的版权保护问题。
1.2.4.1 数字矢量地图算法
1．空域数字水印算法
1992年，最早提出空域数字水印思想的是南非开普敦大学电子[2]工程系的 Cox ，这是一篇可检索到的最早的有关于数字矢量地图水印技术方面的文献，该算法通过选取地图有效节点的坐标值，将数字水印按照比特方式分散嵌入坐标值的末尾。但是该嵌入方式对地图的精度扰动过大，所以不具备实用性，没有得到科学家的充分证实。[3]1994年，澳大利亚莫纳什大学理学院的Schyndel 等在原有空域算法的基础上，提出了基于最不重要位替换的改进算法，重点在于提高空域算法的顽健性。此外，南京大学、日本北海道大学以及韩国明知大学的研究人员均对空域水印算法分别提出了改进策略，如利用拓扑关系、顶点位置关系或网格划分等方法。
近年来，空域水印算法的研究方向主要包括两个方面。
1）高顽健性的水印算法研究。北京大学、日本山梨大学、浙江大学等研究人员分别引入了四叉树划分、图层分类、动态规划等技术对空域水印加以完善。
2）低精度扰动的空域水印。在这方面，武汉大学、华南师范大学、西安电子科技大学、美国彭兰西瓦尼亚大学、解放军信息工程大学、浙江科技大学以及日本九州工业大学等高校研究人员主要引入了差值扩大、数据分块、道格拉斯-普克法压缩、多边形规划等技术。
2．频域数字水印算法
矢量地图频域水印算法同空域方法相比，具有很好的不可见性和顽健性。频域水印算法主要包括离散余弦变换（DCT）、离散傅里叶变换（DFT）。
中国科学院的研究者提出了一种基于离散傅里叶变换（DFT, Discrete Fourier Transformation）的数字水印算法，在特征点频域的幅度和相位中并行嵌入水印信息。同时，希腊塞萨洛尼基大学、日本[4][5][6]北海道大学 以及解放军信息工程大学的专家都对 DFT 数字水印算法进行了积极的改进。
离散余弦变换（DCT）是一种用于数字图像处理以及信号处理的正交变换，相当于只使用实数的DFT变换，具有误码率小、压缩比高、信息集中的特性以及计算复杂性综合效果较好等优点。德国达姆施塔[7]特技术大学Voigt 等提出一种基于 DCT的矢量地图水印算法，将地图内每8个矢量定点组成一个单元，对每个单元进行整数离散余弦变换，通过调整每个单元DCT系数，将1位水印信息嵌入到 AC 分量中。北京邮电大学的研究人员也对此进行了卓有成效的研究。
3．时空/尺度域数字水印算法
小波分解的空间频率特性与人类视觉系统（ HVS, Human Visual System）的某些视觉特性有相似性，根据该特性可以在 HVS不太敏感区域嵌入水印信息。在视觉质量得到保证的前提下，可以使水印的[8]嵌入强度最大限度得到提高。美国麻省理工学院Cox 提出用小波变换的方法描述图像信号后，韩国大田大学、西安电子科技大学、山东大学、解放军信息工程大学、西北民族大学等多所研究机构的学者陆续提出了基于最远距离、小波多级变换、二元树复小波变换、整数小波变换、复数小波域等理论的时间/尺度域水印算法。特别是日本北[9]海道大学Kitamura 等利用双树复数小波域，结合复数小波的多分辨率特性，将水印信息添加到地图的多边形中，使水印算法的不可见性和顽健性获得明显提升。
4．可逆数字水印算法
数字矢量地图由于地理信息丰富、定位精度高等特性而获得广泛应用。研究人员提出多种类型的数字水印技术来保障地图版权和内容不受侵害，但是这些方法对地图内容都存在一定扰动。这种扰动可能从视觉角度会被忽略，却严重干扰了数字矢量地图在工程测量、地理勘测等领域的应用效果。为此，研究者提出了可逆数字水印技术，该技术有两种实现途径。
1）无损水印。水印信息以冗余或附加的方式嵌入到数字地图内，不对地图数据进行实质调整且兼顾水印算法的综合性能，实现难度大。
2）可逆水印。水印信息的嵌入对载体数据产生一定扰动，但在水印信息提取的同时，可同步消除这种数据扰动，恢复地图的原始数据。德国达姆施塔特技术大学Voigt 最早提出数字地图可逆水印算法。该方案结合矢量节点的关系数据，利用整数离散余弦变换方法（DCT）实现可逆水印技术。国内对于数字地图可逆水印技术的研究较少。哈尔滨工业大学的研究人员提出了基于差值扩大理论的地图可逆水印算法。算法对线、面上所有矢量节点进行分组，生成节点对集合，并利用节点对的相关性，将水印信息嵌入节点的横纵坐标中。同[10]文献 相比，算法引起的数据扰动更小，可逆性更强。近几年，国内研究人员从不同角度对基于差值扩大理论的地图可逆水印算法进行了改进。
5．基于特征的数字水印算法
传统的数字水印算法均通过调整地物坐标值的方式嵌入水印信息，尽管调整幅度非常轻微，坐标值变化可忽略不计，但仍然难以应对地图简化、精度调整等实际应用问题。从国内外发表的文献和研究报告来看，基于特征的方式将是数字地图水印技术的未来发展方向。该类技术采用数据统计或模型映射的方式，密切结合数字地图的属性信息、拓扑关系或数据特征，侧重解决某一类影像水印算法实用性的难题。
基于关系特征的水印技术在安全性和抗攻击能力方面性能均具有一定的优势。日本山梨大学Ohbuchi 等利用矢量顶点构造Delaunay三角网格，将网格转化为Laplacian频谱，水印信息最终嵌入到图谱系[11]数的相位和幅值 。该数字水印算法具有一定的抗地图简化的能力。在此方面，武汉大学、西安交通大学、浙江大学的研究人员分别提出了各种基于拓扑不变性的水印算法。
选择何种特征数据作为水印嵌入的目标并不是一个非常明确的问题。为此，研究者提出了基于统计方式的特征选取策略。德国达姆施[12]塔特技术大学 Voigt 等提出将地图分成数个固定大小的网格，随机选择两个不相邻的网格，随机策略作为密钥保存下来。选定一个网格作为参照的同时，对另一个网格内的顶点数据进行位置调整。海军大连舰艇学院的研究人员对此作了大量研究。同空域和频域算法相比，基于数据统计的水印算法具有更高的顽健性能。
6．多重数字水印算法
目前，多重水印的研究较少，主要包括静态多重水印和动态多重水印两类。
静态多重水印是指将多种水印信息的组合完毕后，将组合水印一并嵌入数字地图的做法。主要包括组合、独立两种嵌入方式。动态水印是指在水印嵌入过程中，将多种水印标识结合载体的实际情况嵌入到矢量地图中。这两类水印相比，动态水印更具有实时性，能够根据载体特征信息动态调整嵌入强度及水印容量。
北京邮电大学的研究人员提出了一种矢量数据双重水印算法。在多重水印算法中解释攻击（或称IBM攻击）是其主要的瓶颈。多重水印和零水印一样，在矢量地图领域中研究较少。
7．数字零水印算法
数字零水印算法主要包括两类：多技术融合的零水印算法和改进[13]的频域零水印算法。文献 是国内为数不多的其中一篇文献。该零水印算法根据地物坐标进行分块，并根据分块内的节点个数采用加密变换方式构造成水印图像。该方法构造较为简单，一旦攻击者采用数据拟合或节点压缩方式对地图进行变换，数字水印算法将彻底失效。[14]文献 是国外可检索到的其中一篇与数字地图相近领域的零水印算法研究文献。算法根据点、线、多边形的拓扑层次对矢量地图内所有顶点进行分类获得若干特征序列；利用混沌系统，对选中的特征序列建立映射关系并生成零水印。该算法可抵抗地图旋转、删减、缩放等多种组合攻击，且具有很好的安全性。在混沌系统初始参数未知的情况下，零水印无法被检测到。
目前印度拉贾斯坦大学、意大利博洛尼亚大学以及我国国防科技大学等多所高校的研究人员都在进行多技术融合的零水印算法研究。零水印第三方版权认证技术的研究也可能会成为未来的研究热点。
8．第三方认证的数字水印算法
数字地图水印技术除了要解决地图内容完整性验证、版权保护、防侵害防篡改等安全问题，还需要建立一个解决版权争议并对争议进行最终裁决的权威组织，这样的组织称为第三方水印认证机构。目前，有关数字矢量地图水印第三方认证机制的研究还未见诸文献。
在相关领域水印算法中，对于第三方认证机制以及组织模式进行了一定的阐述。早在2001年，美国布鲁克林理工学院等机构都提出了基于第三方的数字产品传播协议。鉴于数字产品的快速发展，国外对第三方认证水印算法开展了深入研究，如德国波鸿鲁尔大学，美国休斯研究室等机构，我国清华大学研究人员也在从事该领域的研究。
第三方认证水印技术对于电子产品的广泛生产、流通、使用和传播都具有重要意义，它能够有效解决版权注册、数据拷贝等一系列数字信息管理问题，有效增强水印算法的实用性和安全性，同时也必须采取行政制度和法律规范的干预。对于这一问题，西班牙马德里卡罗[15][16][17]司第三大学Carlos LO′pez博士曾有过详细论述 。
9．基于地图特性的数字水印算法
在数字矢量地图水印算法发展过程中，研究者提出了一些运用地图特性进行水印信息嵌入和提取的新兴水印技术。这些算法充分利用矢量地图的数据特征，运用图元来描述目标。基本图元包括点、弧线以及多边形3种类型。
有代表性的水印算法包括以下几种。
1）基于SVG空间信息的数字地图水印技术。华南师范大学的研究人员提出基于网络环境下的SVG空间信息水印技术，旨在利用图层分类分割技术，选择可供水印信息嵌入的适合位置，通过在选取位置添加新的坐标点来携带水印信息。
2）基于地图要素的数字水印技术。信息工程大学的研究人员根据矢量地图各要素层的数据规模，使不同性质的数字水印嵌入在不同的数据分类规则中。
3）基于地图图层的数字水印技术。华中科技大学的研究人员提出利用比较方式，将水印同步嵌入到数字地图中包含道路、水系等重要地理信息的地图图层内和包含非重要信息的图层内。
4）基于数据分割的数字水印技术。德国电信研究院以及德国达姆施塔特技术大学的学者先后提出将地图数据分割为水平或垂直的数据带，根据水印信息调整带内各点位置使其向某条参考线平移，最终实现数字水印信息的嵌入。日本日立有限责任公司提出了一种适合于小规模数字地图（节点数量不超过 1 000 个）的线分割水印算法。此外，还有基于中国剩余定理的水印算法。[18][19][20]
5）基于数据冗余的数字水印。文献 所述算法的基本原理就是通过向矢量地图内新增节点达到嵌入水印信息的目的。由新增节点携带矢量地图制作信息，如地图作者、地图说明等。基于人类视觉系统的数字地图水印系统已在影像地图领域得到推广，其理论基础和实用价值已在数字图像产品上得到验证。目前，日本东北大学的研究人员已开始进行基于人类视觉系统的地图水印算法研究。
纵观国内外研究情况，可以看到目前真正能够实用的性能优越的数字矢量地图水印算法还寥寥无几。从研究现状来看，目前的数字水[21]印还很难抵抗各类地图变换操作而稳健地存在于载体内
1.2.4.2 数字影像地图算法
在国际上，2001年，Barni和Bartolini提出了在数字影像地图的版[22][23][24][25][26]权保护中 应用水印技术的思想，但是在遥感图像中应用一般的水印算法时，遥感图像的应用效果受到水印的严重影响。随后，在2002年，Barni和Bartolini提出在遥感图像的版权保护中应用近无损（ Near-Lossless ）数字水印。
2002年，Anthony T S H和Jun Shen 提出了遥感图像版权保护的[27][28]数字水印算 ，该算法是基于快速哈达玛变换（ FHT ）的。该FHT域的水印算法有较大的嵌入容量，透明性好，处理时间短，硬件上易于实现，而且对JPEG锐化、有损压缩、比例调整等攻击有较强的顽健性，但是对于线性变换等常见地图编辑操作的抗攻击性能较差。
2005年，国内学者提出了不同权限机密信息隐藏盲算法，该算法是基于数字影像地图融合的。算法利用JPEG量化方式，按照用户所定义的操作权限对影像地图中所隐藏的信息进行整体融合，且该方[29]法是一种盲检测算法 。该算法对融合后的数字影像地图的各种应用没有大的影响。
2008年10月，解放军信息工程大学的刘宏在论文——《信息隐藏技术在数字影像地图中的应用》中首次提出了无损可逆信息隐藏算法，该算法是一种适合摄影测量领域的，应用Forstner点特征提取Forstner算子，然后根据图像整数原理实现数字水印的嵌入和检测操作，对于数字影像地图而言，该类算法能够实现近无损的信息隐藏需[30]求 。
同数字矢量地图一样，数字影像地图信息隐藏算法一般分为频域算法和空域算法。两者相比，后者存在一些缺点：l）对滤波、量化和压缩攻击的顽健性差；2）嵌入的信息量不能太多。
1．变换域算法
空域影像地图数字水印算法主要通过修改载体影像地图的各种频域系数来实现数字水印信息的隐藏。在频域区域的选择上，由于影像地图的低频信息仅反映了载体的主要轮廓，信息隐藏过程不会对地图轮廓造成较大的失真。
1） DWT变换域
离散小波变换是一种局部变换，当前最新的压缩标准——JPEG2000就采用了这种变换，该变换具有多尺度分析的能力，而离散余弦变换是从图像空间到频率空间的全局变换。因此，基于压缩标[31]准的信息隐藏算法可以增强抵抗有损压缩攻击的能力 ，很好地解决与这些压缩标准兼容的问题。
2） DCT变换域
DCT域自适应信息隐藏方法从算法应用特性实现自适应的角度看可以分为3大类：块特性（如方差、均值、能量、梯度、边缘、纹理）；利用 JPEG量化表；利用感知掩蔽特性 （主要是 JND模型）。从自适应的对象看，主要有两个层次：基于块；基于系数。
2．空域算法
1）特征统计算法
1995年，W Bebder 等提出了一种基于Patchwork技术的空域算[32]法 该算法通过调整图像的像素值来完成水印信息的嵌入。该算法对于一些恶意攻击处理和有损压缩编码具有顽健性，透明性较好。
广泛应用于各种图像处理和分析技术中的灰度直方图是图像最基本的统计特征。在信息隐藏系统中，人们在嵌入信息也利用图像的直方图规范化（Histogram Specification）。
Podilehukandw等提出了多种基于直方图的影像信息隐藏算法，一种是基于保持原始图像统计特征原理的方法，图像失真较小，但顽[33]健性较差 ；另一种是能够对抗几何攻击，能够较好地保持图视觉效果，检测算法复杂度较低，压缩攻击的顽健性不高。
J Guo等提出了一种能保持载体灰度直方图不变的数字水印嵌入[34]方法 将直方图方法用于图像认证应用场合。[35]
J W Huang等提出了一种适合用于数字影像地图的信息隐藏 ，该技术是一种基于修改直方图的可逆信息隐藏技术。
H Luo等提出一种利用载体图像的方差或标准差统计特性的水印[36]嵌入算法，该算法同样适用于数字影像地图信息隐藏 。
2）最低有效位算法（LSB）[37][38]
1993年，A Tirkle 提出了一种典型的空间域信息隐藏方法。该方法的优点是不可见性好，隐藏容量较大，但顽健性较差，一旦地图轻微受损，水印即可能无法完整提取或提取失败。
考虑到最高位平面替换的不可见性差，而最低位平面替换的顽健[39][40][41]性差。文献 提出一种折中的方案，将多个位平面与水印替换，对于 8bit 的遥感图像来说通常采用 4bit 以下的各位平面（假设最低位为第0bit，最高为第7bit）。为了加强安全性，用一个随机序列来随机选择要替换的位平面，而位平面的位置不再固定。而嵌入隐藏信息的安全性由以下两个方面来保证：通过另外一个伪随机序列对隐藏信息本身进行扩频；随机选择信息嵌入的位置。1.3数字影像地图和矢量地图配准
随着数字矢量地图资源日益广泛的应用需求，如何将数字影像地图快速转换为数字矢量地图变得日益迫切，二者的配准问题也变得越来越重要。配准过程主要包括数字矢量地图和数字影像地图的自动配准、影像地图的地理自动编码以及自动外参数解算3个方面。正射影像地图具有丰富的地理编码，在一定工具和数据的辅助下，如果能够提供数字影像地图外参数，则可以对影像进行正射校正，而具有地理编码的数字矢量地图和影像则可以在统一的地理坐标下，实现了二者之间的配准。但是，随着遥感自动化技术与摄影拍摄测量水平的发展，矢量地图和影像地图的配准问题越来越成为遥感数据处理技术的瓶颈。由于控制信息有限，传统技术不能很好地反映数字影像地图与数字矢量地图地理数据之间的对应关系，导致二者之间的配准精度较低，造成对空间数据融合和地理信息变化检测准确性的负面影响，例如数据融合操作中易出现的影像特征不重合现象。
经过近些年的研究，研究人员从不同角度，提出了矢量与影像之间配准问题的解决方法。主要包括基于点特征的配准、基于线特征的[42]配准、基于多边形边界的配准以及基于面状地物的配准 。1.4数字地图应用现状和前景
数字地图被誉为“地理学的第二代语言”。随着信息处理技术和网络技术的快速发展，数字地图在地里信息系统、智能交通运输系统、城市规划管理系统、海洋开发等领域获得了广泛的应用，它是地理学、测绘、导航、军事领域开展科学研究的数据基础，具有巨大的可重复利用价值，数字化城市和数字化国防建设都需要数字地图的支撑和保障。数字矢量地图具有地理信息丰富、造价昂贵、经济及军事利益突出等特性，在地理信息相关领域正在得到迅速普及，整个信息化社会[43]对数字矢量地图的依赖程度也越来越大 。
数字地图的应用范围很广，它只受想象力的限制。就目前的技术水平来看，数字地图的应用分为两个部分，一是借助可视化技术将地理空间数据变成印刷地图、电子地图、虚拟环境等，体现以人为本，发挥人的视觉和大脑的认识潜力。这是十分重要的一部分，因为数字化仅仅是一种技术，它给人类的生活带来很大便利。二是数字地图的直接应用，运用某一数学模型对数据地图运算处理并获得结果，例如定位、控制与制导和空间分析。
2007年，河南省气象科学研究所通过卫星遥感资料和野外调查的GPS数据相结合，并运用有关软件对调查的玉米、大豆、花生、芝麻、水稻等作物受灾状况进行识别，实现定量分析，并适时提出各种应对措施，进行技术指导。经过科学分析，气象部门最终出具了一份《7月以来河南淮河流域洪涝灾害对农作物的影响评估》，通过卫星遥感，清楚地查明了淮河洪水的受灾情况，为指挥抗灾夺丰收提供了科学的决策参考依据。
2008年5月12日，四川汶川地震后，科技部下属国家遥感中心启动应急工作机制。5月12日晚，遥感中心应国家减灾委员会的要求，安排北京宇视蓝图公司为国家减灾委提供“北京一号”小卫星的存档影像并部署实拍，掌握灾区最新影像信息，为灾区抗震救灾决策服务。中国科学院遥感所所属北京国遥万维信息技术有限公司于5月14日接收到四川汶川地区最新高分辨率卫星数字影像地图数据以及5m雷达数据，5月15日凌晨，完成北川东部、安县北部真彩色卫星影像图的处理与分析，完成茂县、什邡、都江堰及成都雷达卫星影像采集与处理。在地震灾区通信、交通被严重破坏的情况下，卫星遥感技术能够及时提供宏观灾情，有利于有关方面对灾情作出科学评估，进而采取救灾防灾减灾措施。
2008年5月，陕西省森林防火指挥部首次启用“火场应急通信系统”。这个系统运用了目前最尖端的通信科技，不仅能够利用遥感技术在任何条件下传输照片、视频，还能够连接后方电话和前方对讲机，实现后方指挥部与前方扑火第一现场的直接联系。
最近，北京引进了22辆激光尾气遥感监测车，这就是北京监测机动车尾气的新式武器。车辆经过测试仪时，由于尾气对光有一定的吸收作用，只要通过光谱分析，用0.7s的时间就能把汽车尾气中的一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物检测出来，这些数据能同步显示在遥感监测车内的微机屏幕上。一旦汽车的尾气超标，监测仪就会拍下车辆牌照作为处罚依据。
注释
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试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]