基于交换密码水印的矢量地理数据安全保护算法研究

作     者：李玉 

作者单位：兰州交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张黎明

授予年度：2022年

学科分类：081603[工学-地图制图学与地理信息工程] 081802[工学-地球探测与信息技术] 07[理学] 08[工学] 070503[理学-地图学与地理信息系统] 0818[工学-地质资源与地质工程] 0705[理学-地理学] 0816[工学-测绘科学与技术] 

主      题：矢量地理数据 交换密码水印 DNA编码 特征不变量 双随机位置置换加密 

摘      要：矢量地理数据作为最重要的地理空间数据之一,在国家安全和社会经济发展中起着至关重要的作用,并广泛应用于导航、地籍管理、城市规划等诸多领域。然而,随着计算机网络技术的发展和信息共享技术的普遍应用,矢量地理数据在存储、传输、共享和使用过程中时常面临着数据泄露、盗版和侵权等安全威胁。为此,许多学者们从矢量地理数据的保密传输和版权保护的角度出发,研究了运用加密技术或数字水印技术来保护矢量地理数据。加密技术可以满足矢量地理数据在存储和传输过程中的保密性需求,而数字水印技术能够实现矢量地理数据在共享和使用过程中的版权确认和追踪溯源。然而,单一的加密技术或数字水印技术难以同时为矢量地理数据提供保密传输和版权保护的多重安全需求。因此,如何满足矢量地理数据在保密传输和版权保护方面的多重安全需求,成为矢量地理数据安全研究的一个重点。为同时保证矢量地理数据的保密传输和版权可追溯,学者们提出了加密技术和数字水印技术相结合的方法,代表性方法是交换密码水印技术。交换密码水印技术可以为矢量地理数据的存储、传输、共享和使用提供保密传输和版权追踪多重安全保障,有效地解决了单一的加密技术或数字水印技术安全性不足的问题。目前,已有交换密码水印算法大多集中在多媒体数据安全领域,而矢量地理数据与多媒体数据在数据结构上存在较大差异,使得这些算法难以直接应用于矢量地理数据。因此,需要针对矢量地理数据自身的数据结构和数据特征,研究适用于矢量地理数据的交换密码水印算法。针对矢量地理数据自身的数据结构和数据特征,对现有交换密码水印算法应用于矢量地理数据的不足进行了分析,进而提出了适用于矢量地理数据的交换密码水印算法。主要研究内容包括以下几个方面:(1)以矢量地理数据的特征和安全需求为基础,结合交换密码水印技术的定义、特性、基本流程和实现方法,分析了矢量地理数据对交换密码水印算法的要求,并归纳了交换密码水印技术应用于矢量地理数据的评价指标和可能遭受的攻击方式。(2)从平衡加密安全性和水印鲁棒性的角度出发,提出一种基于特征不变量的矢量地理数据交换密码水印算法。基于矢量地理数据的存储结构和组织结构,算法将矢量地理数据的顶点数量和存储方向作为特征不变量,设计了基于特征不变量的水印方案;同时,利用DNA编码的“一次一密加密原则,设计了基于顶点坐标的加密方案。顶点坐标的加密不会影响特征不变量,实现了加密和水印操作顺序的可交换。(3)以提高抗顶点攻击的鲁棒性为目标,提出一种基于DRPP和归一化的矢量地理数据交换密码水印算法。对于矢量地理数据而言,置乱加密仅改变矢量地理数据的存储顺序而不修改顶点坐标值。因此,算法利用置乱加密的这一特性,结合双随机位置置换加密策略,设计了基于存储顺序的加密方案;同时,利用归一化对平移和缩放的不变性、水印多次嵌入策略对于顶点攻击的鲁棒性,设计了基于顶点坐标的水印方案。存储顺序的置乱不会影响矢量地理数据的顶点坐标,满足了加密和水印操作顺序的可交换性。