地理信息公共平臺(tái)非涉密專題數(shù)據(jù)拓?fù)潢P(guān)系精確計(jì)算研究

李 勝

(中山市基礎(chǔ)地理信息中心，廣東 中山 528403)

一、引 言

地理信息公共平臺(tái)是數(shù)字城市建設(shè)的重要內(nèi)容，依托基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，采用先進(jìn)的地圖服務(wù)發(fā)布手段與前沿的空間數(shù)據(jù)處理技術(shù)，通過在線方式滿足用戶對(duì)地理信息和空間定位、分析的基本需求。其中數(shù)據(jù)共享與安全是地理信息公共平臺(tái)的核心問題[1]，即既要不影響數(shù)據(jù)安全和保密，又要滿足用戶對(duì)服務(wù)的需求。為此，地理信息公共平臺(tái)根據(jù)用戶的不同，分為基礎(chǔ)版、政務(wù)版、公眾版3個(gè)版本，分別運(yùn)行在涉密網(wǎng)、政務(wù)網(wǎng)和公眾網(wǎng)[2]，后兩者的數(shù)據(jù)經(jīng)過了保密處理，以解決保密與公開應(yīng)用的棘手難題。

空間查詢、檢索、空間分析和數(shù)據(jù)挖掘等空間信息利用方法均基于一定的空間關(guān)系[3]，而拓?fù)潢P(guān)系是空間關(guān)系中最基礎(chǔ)的關(guān)系，具有廣泛的應(yīng)用，特別是對(duì)于政務(wù)版用戶，其應(yīng)用常涉及經(jīng)濟(jì)利益及重大工程決策，對(duì)地理信息數(shù)據(jù)的精確拓?fù)潢P(guān)系具有較強(qiáng)的需求。

政務(wù)版用戶的數(shù)據(jù)來源有兩類：一類是基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，經(jīng)過了保密處理；第二類是用戶擁有的非涉密專題數(shù)據(jù)，也必須經(jīng)過保密處理，才能與第一類數(shù)據(jù)一起使用[4]。但是直接使用經(jīng)過保密處理的專題數(shù)據(jù)計(jì)算拓?fù)潢P(guān)系，誤差較大，經(jīng)常難以滿足用戶的精確計(jì)算需求。本文針對(duì)政務(wù)版地理信息公共平臺(tái)非涉密專題數(shù)據(jù)拓?fù)潢P(guān)系計(jì)算不精確的問題，分析了服務(wù)器端精確計(jì)算拓?fù)潢P(guān)系的可行性，基于面向服務(wù)的思想，研究了一種無需網(wǎng)絡(luò)傳輸保密數(shù)據(jù)的精確拓?fù)潢P(guān)系計(jì)算方法。

二、問題分析

根據(jù)國家有關(guān)保密政策要求，將近90%的基礎(chǔ)測(cè)繪成果屬于涉密范圍，公開使用有礙國家安全。為此，國家規(guī)定包括政務(wù)版和公眾版地理信息公共平臺(tái)在內(nèi)的互聯(lián)網(wǎng)地圖數(shù)據(jù)必須進(jìn)行保密處理，即人為地對(duì)原始地形圖的坐標(biāo)引入非線性偏移。該偏移在一定范圍內(nèi)相對(duì)不變，空間關(guān)系相對(duì)穩(wěn)定，能滿足精度不高的應(yīng)用需求[2]。但是由于該偏移具有不確定性，即不同地區(qū)偏移方向和偏移程度均不相同，基于保密處理后數(shù)據(jù)計(jì)算的拓?fù)潢P(guān)系難以滿足高精度專題應(yīng)用的要求。

只能定性地認(rèn)為拓?fù)潢P(guān)系的這種變化在兩矢量距離較近時(shí)，保密處理前后的拓?fù)潢P(guān)系近似不變，當(dāng)兩矢量距離增大時(shí)，拓?fù)潢P(guān)系發(fā)生變化的可能性也增大。由于非線性偏移處理算法和參數(shù)保密，難以對(duì)拓?fù)潢P(guān)系的變化定量分析。因此，研究出一種無需傳輸保密數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系精確計(jì)算方法，具有較強(qiáng)的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

圖1 兩圓保密前后的拓?fù)潢P(guān)系

三、精確拓?fù)潢P(guān)系計(jì)算方法

1. 公網(wǎng)傳輸專題數(shù)據(jù)用戶端計(jì)算的方法

政務(wù)版專題數(shù)據(jù)拓?fù)潢P(guān)系精確計(jì)算問題的一種解決方法是將未經(jīng)保密處理的精確矢量數(shù)據(jù)加密后在公網(wǎng)傳輸，然后在用戶端進(jìn)行解密，利用專題數(shù)據(jù)的精確坐標(biāo)計(jì)算精確拓?fù)潢P(guān)系。該類方法需要在互聯(lián)網(wǎng)傳輸包含精確坐標(biāo)的專題數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)易被截獲破解或在客戶端被非法利用[5]，從而增加了泄密風(fēng)險(xiǎn)。

2. 雙級(jí)服務(wù)器精確計(jì)算方法

(1) 算法可行性

為同時(shí)克服數(shù)據(jù)保密和精確計(jì)算的問題，將專題數(shù)據(jù)服務(wù)器分為精確版和加密版，分別存儲(chǔ)加密前后的專題數(shù)據(jù)?；诿嫦蚍?wù)的思想，將精確拓?fù)潢P(guān)系的計(jì)算交給服務(wù)器，由服務(wù)器提供相關(guān)服務(wù)?？蛻舳讼蚣用馨娣?wù)器發(fā)送拓?fù)潢P(guān)系精確計(jì)算請(qǐng)求，當(dāng)該服務(wù)器接到請(qǐng)求后，再向精確版服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)精確計(jì)算請(qǐng)求，精確版服務(wù)器計(jì)算完成后，將結(jié)果通過加密版服務(wù)器反饋給用戶。在該方法中，精確專題數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在精確版服務(wù)器，該服務(wù)器只接受來自加密版服務(wù)器的服務(wù)請(qǐng)求，精確計(jì)算也在加密版服務(wù)器完成，從而避免了專題數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)的傳輸，能同時(shí)滿足拓?fù)潢P(guān)系精確計(jì)算和數(shù)據(jù)保密的要求。

(2) 算法流程

精確拓?fù)潢P(guān)系計(jì)算的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及處理流程如圖2所示，包括3個(gè)部分：專題數(shù)據(jù)服務(wù)器精確版和加密版、互聯(lián)網(wǎng)和用戶。兩個(gè)服務(wù)器之間使用專線連接，且有防火墻隔離，精確版服務(wù)器只與加密版服務(wù)器相連，用戶無法直接訪問精確版服務(wù)器。加密版服務(wù)器維護(hù)著加密版和精確版數(shù)據(jù)庫同名矢量的ID映射表，并提供ID轉(zhuǎn)換服務(wù)。具體流程如下:

1) 用戶向服務(wù)器發(fā)送拓?fù)潢P(guān)系精確計(jì)算請(qǐng)求，參數(shù)為待計(jì)算矢量對(duì)A、B的加密版ID。

2) 加密版服務(wù)器收到請(qǐng)求后，查詢矢量ID映射表，得到A、B精確版的ID，并以該ID為參數(shù)向精確版服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)拓?fù)潢P(guān)系精確計(jì)算請(qǐng)求。

3) 精確版服務(wù)器收到請(qǐng)求后，從精確專題數(shù)據(jù)庫查詢得到A、B的精確坐標(biāo)，計(jì)算拓?fù)潢P(guān)系，并將結(jié)果返回給加密版服務(wù)器。

4) 加密版服務(wù)器收到響應(yīng)后，將結(jié)果通過互聯(lián)網(wǎng)反饋給用戶。

四、試驗(yàn)結(jié)果與分析

1. 非線性偏移對(duì)精確拓?fù)潢P(guān)系影響的模擬分析

采用非線性偏移方法，對(duì)表1中9個(gè)點(diǎn)的地理坐標(biāo)進(jìn)行保密處理

偏移前后的位置如圖3所示，其坐標(biāo)為6°帶高斯投影，橫坐標(biāo)減去了19 700 km，縱坐標(biāo)4400 km。從圖3和表1可知，不同位置點(diǎn)偏移的方向和偏移量均是隨機(jī)的。表中相距約10 km的點(diǎn)形成的矢量，如線段AC偏移前后長度分別為4.3 km和5.1 km，三角形BDE偏移前后面積分別為11.8 km2和13.0 km2，經(jīng)過處理后長度、面積和拓?fù)潢P(guān)系均發(fā)生一定的變化。

圖2 精確拓?fù)潢P(guān)系計(jì)算的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及流程

表1 模擬非線性偏移前后坐標(biāo)

圖3 非線性偏移處理前后的位置

2. 新方法的有效性試驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證方法的有效性，搭建了模擬的原型系統(tǒng)，并在圖3所示的區(qū)域內(nèi)，隨機(jī)生成了30個(gè)點(diǎn)、10條線段和12個(gè)多邊形，如圖4所示。使用新方法和偏移后數(shù)據(jù)計(jì)算了這些矢量數(shù)據(jù)的常用拓?fù)潢P(guān)系，結(jié)果見表2。分析可知，直接基于偏移后的數(shù)據(jù)，拓?fù)潢P(guān)系均出現(xiàn)不同大小的錯(cuò)誤率；基于新方法拓?fù)潢P(guān)系可以達(dá)到100%的正確率。

通過比較發(fā)現(xiàn)拓?fù)潢P(guān)系的錯(cuò)誤，如相離變相交、內(nèi)含變相交、相交變相離、相交變內(nèi)含等，常發(fā)生在多邊形或線段的頂點(diǎn)位于另一多邊形某較長條邊的中點(diǎn)附近，原因在于該情況下保密處理前后相關(guān)3點(diǎn)偏移的大小和方向不一致。針對(duì)這一問題，新方法采用兩級(jí)服務(wù)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，其中精確版服務(wù)器基于精確矢量通過加密版服務(wù)器向用戶提供精確計(jì)算服務(wù)，避免了保密數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)的傳輸，降低了數(shù)據(jù)泄密風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)解決了保密處理帶來的精確拓?fù)潢P(guān)系錯(cuò)誤的問題。

圖4 模擬矢量數(shù)據(jù)

表2 兩種方法拓?fù)潢P(guān)系計(jì)算準(zhǔn)確率對(duì)比

五、結(jié)束語

本文針對(duì)政務(wù)版地理信息公共平臺(tái)非涉密專題數(shù)據(jù)拓?fù)潢P(guān)系計(jì)算不精確的問題，設(shè)計(jì)了一種基于雙級(jí)服務(wù)器的計(jì)算方法，避免了在網(wǎng)絡(luò)傳輸精確矢量數(shù)據(jù)，降低了數(shù)據(jù)使用過程中的泄密風(fēng)險(xiǎn)；開發(fā)了原型系統(tǒng)，使用模擬的矢量，分析了非線性偏移加密算法的影響，并進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明新方案的可行有效。新方法還可用于解決政務(wù)版專題數(shù)據(jù)面積、長度的精確計(jì)算問題，進(jìn)一步滿足用戶對(duì)精確計(jì)算服務(wù)的需求。

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