數(shù)字水印技術(shù)在高分辨率遙感數(shù)據(jù)安全保護(hù)中的應(yīng)用*

任娜，朱長(zhǎng)青，黃家柱，王丹

（1.南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210023；2.江蘇省測(cè)繪地理信息局信息中心，南京210013）

數(shù)字水印技術(shù)在高分辨率遙感數(shù)據(jù)安全保護(hù)中的應(yīng)用*

任娜1，朱長(zhǎng)青1，黃家柱1，王丹2

（1.南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210023；2.江蘇省測(cè)繪地理信息局信息中心，南京210013）

隨著高分辨率遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用的不斷擴(kuò)展，其安全和版權(quán)問題也日益突出。利用數(shù)字水印技術(shù)保護(hù)高分辨率遙感數(shù)據(jù)安全是目前可行、可靠的技術(shù)手段。介紹了數(shù)字水印基本原理并分析了高分辨率遙感數(shù)據(jù)數(shù)字水印特征，研究了數(shù)字水印技術(shù)在高分辨率遙感數(shù)據(jù)安全分發(fā)管理、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等方面的應(yīng)用，探討了高分辨率遙感數(shù)據(jù)數(shù)字水印系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對(duì)高分辨率遙感數(shù)據(jù)數(shù)字水印技術(shù)進(jìn)行了展望。

高分辨率遙感數(shù)據(jù)，數(shù)字水印，安全，魯棒水印，脆弱水印

0 引言

高分辨率遙感數(shù)據(jù)具有分辨率高、精度高、成本高、應(yīng)用領(lǐng)域廣等特點(diǎn)，因此，其安全問題尤其重要，它不僅涉及國(guó)家安全、國(guó)防安全，也涉及知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)、數(shù)據(jù)共享和服務(wù)等方面，是制約高分辨率遙感數(shù)據(jù)全面推廣和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的重要因素之一。在目前網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化時(shí)代，數(shù)據(jù)在獲取、訪問、傳播、復(fù)制等方面極為方便快捷，但同時(shí)違法、盜版、侵權(quán)等行為也日益嚴(yán)重，如何保護(hù)高分辨率遙感數(shù)據(jù)的安全是當(dāng)前迫切需要解決的重要問題。

加密技術(shù)是傳統(tǒng)的信息安全技術(shù)，但其存在致命弱點(diǎn)，即密碼一旦破譯，數(shù)據(jù)便會(huì)失控，數(shù)據(jù)安全就難以保證。因此，發(fā)展新的安全技術(shù)彌補(bǔ)加密技術(shù)的不足顯得十分必要。

數(shù)字水印技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的信息安全前沿技術(shù)，它是將水印信息（如版權(quán)信息、用戶信息等）嵌入到數(shù)字化數(shù)據(jù)中，使水印信息成為數(shù)據(jù)不可分離的一部分，由此來(lái)確定版權(quán)擁有者、跟蹤侵權(quán)行為、認(rèn)證數(shù)字內(nèi)容來(lái)源的真實(shí)性、提供關(guān)于數(shù)字內(nèi)容的其他附加信息等［1-2］。同時(shí)對(duì)于加強(qiáng)責(zé)任心、震懾非法行為、有據(jù)可查等具有重要作用。

數(shù)字水印技術(shù)在圖像、圖形、視頻、音頻等領(lǐng)域的安全保護(hù)方面取得了許多應(yīng)用［3-5］，近幾年數(shù)字水印技術(shù)在測(cè)繪、地理信息、軍事等領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用［6-14］。在高分辨率遙感數(shù)據(jù)安全保護(hù)中，如何充分利用數(shù)字水印的特點(diǎn)，建立針對(duì)高分辨率遙感數(shù)據(jù)的數(shù)字水印模型和算法，建立可靠、實(shí)用的數(shù)字水印系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)高分辨率遙感數(shù)據(jù)安全、深入、廣泛應(yīng)用的前提。

本文針對(duì)高分辨率遙感數(shù)據(jù)特點(diǎn)，對(duì)數(shù)字水印技術(shù)在高分辨率遙感數(shù)據(jù)安全管理中的應(yīng)用、關(guān)鍵問題及系統(tǒng)建立等進(jìn)行了研究。

1 高分辨率遙感數(shù)據(jù)數(shù)字水印技術(shù)特征

1.1 數(shù)字水印基本框架

一個(gè)完整的數(shù)字水印系統(tǒng)包括水印嵌入器和檢測(cè)器兩大部分，嵌入器至少具有兩個(gè)輸入量，一個(gè)是水印信息，另外一個(gè)是原始載體數(shù)據(jù)。嵌入器的輸出為含水印信息的載體數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)通常用于分發(fā)或者傳輸。檢測(cè)器的輸入至少為含有水印信息的載體數(shù)據(jù)。檢測(cè)器的輸出為判斷水印信息的有無(wú)，如果含有水印信息，則輸出所嵌入的水印信息；否則，提示不存在水印信息。通用的數(shù)字水印框架系統(tǒng)如圖1所示［15-16］。

圖1 數(shù)字水印系統(tǒng)基本框架

1.2 數(shù)字水印分類

根據(jù)水印嵌入的可見程度，數(shù)字水印可以劃分為可見水印和不可見水印?？梢娝∈侵盖度胨『蟮臄?shù)據(jù)在視覺上可以清楚地看到水印信息，如文字或圖片信息。不可見水印是指嵌入水印后的數(shù)據(jù)在視覺上跟原始載體數(shù)據(jù)沒有明顯的區(qū)別，水印信息存在但不可見。

根據(jù)水印特征，數(shù)字水印可以劃分為魯棒水印和脆弱水印。魯棒水印具有好的魯棒性，水印能夠抵抗各種有意無(wú)意攻擊，主要用于數(shù)據(jù)分發(fā)管理。脆弱水印與魯棒水印的需求相反，對(duì)數(shù)據(jù)的修改非常敏感，可以定位數(shù)據(jù)的修改位置和修改量，主要用于數(shù)據(jù)完整性保護(hù)。

1.3 數(shù)字水印作用

數(shù)字水印技術(shù)在不同領(lǐng)域作用有所不同，在高分辨率遙感數(shù)據(jù)安全保護(hù)方面，數(shù)字水印作用主要有如下方面。

（1）版權(quán)保護(hù)。在數(shù)據(jù)中嵌入數(shù)據(jù)版權(quán)擁有者等信息，可以有效地保護(hù)數(shù)據(jù)的版權(quán)，打擊非法使用行為。

（2）使用追蹤。在數(shù)據(jù)中同時(shí)嵌入版權(quán)、用戶、使用時(shí)間等信息，用于區(qū)分、識(shí)別不同的用戶，能夠?yàn)樽粉檾?shù)據(jù)行蹤、檢查非法數(shù)據(jù)來(lái)源、追查責(zé)任等提供有效可靠的依據(jù)。

（3）內(nèi)容保護(hù)。在數(shù)據(jù)中嵌入可見且難以去除的信息，使數(shù)據(jù)只可以瀏覽，但不能用于其他目的。

（4）完整性認(rèn)證。在數(shù)據(jù)中嵌入脆弱水印，識(shí)別數(shù)據(jù)是否進(jìn)行了修改，對(duì)于保護(hù)數(shù)據(jù)的完整性具有重要作用。

（5）信息隱藏。將數(shù)據(jù)的頭文件、參數(shù)等作為水印信息隱藏到數(shù)據(jù)中。

1.4 高分辨率遙感數(shù)據(jù)數(shù)字水印技術(shù)特征

高分遙感數(shù)據(jù)數(shù)字水印技術(shù)除滿足普通圖像水印要求外，還應(yīng)滿足以下幾個(gè)方面的要求［15］：

（1）不可感知性。嵌入不可見水印對(duì)于數(shù)據(jù)是不可感知的或不可見的，不影響數(shù)據(jù)視覺效果。

（2）精度特性。精度和分辨率特性是高分辨率遙感數(shù)據(jù)基本特征，高分辨率遙感數(shù)據(jù)數(shù)字水印不僅要求不可感知性，還要保證其精度在允許范圍內(nèi)，不對(duì)其后期的使用如立體像對(duì)生成或DEM生成等產(chǎn)生影響。

（3）魯棒性。魯棒性是衡量水印算法優(yōu)劣的重要指標(biāo)。高分辨率遙感數(shù)據(jù)數(shù)字水印必須能經(jīng)受惡意或有意的攻擊，應(yīng)該能夠抵抗常見裁剪、拼接、壓縮、旋轉(zhuǎn)、濾波、銳化、平移、噪聲、刪除等攻擊。

（4）高效性。高分辨率遙感數(shù)據(jù)量龐大，經(jīng)常高達(dá)數(shù)十G以上，因此，高分辨率遙感數(shù)據(jù)水印算法應(yīng)該高效、實(shí)用。

要達(dá)到上述技術(shù)特征，其關(guān)鍵和核心在于建立針對(duì)高分辨率遙感數(shù)據(jù)特點(diǎn)的數(shù)字水印模型和算法，在魯棒性、精度、效率、可用性等方面達(dá)到高度統(tǒng)一。

2 數(shù)字水印技術(shù)在高分辨率遙感數(shù)據(jù)中的應(yīng)用

高分辨率遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，根據(jù)其應(yīng)用特點(diǎn)，數(shù)字水印技術(shù)在高分辨率遙感數(shù)據(jù)中的應(yīng)用主要包括如下幾個(gè)方面。

2.1 魯棒水印在數(shù)據(jù)安全分發(fā)管理中的應(yīng)用

高分辨率遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用于不同部門、不同領(lǐng)域，同一份數(shù)據(jù)也可能用于多個(gè)用戶，如果直接分發(fā)給用戶，一旦出現(xiàn)非法流傳、復(fù)制、使用、泄密等安全問題，難以追查責(zé)任人。通過(guò)數(shù)字水印技術(shù)，可以在數(shù)據(jù)中嵌入不可見的版權(quán)信息、用戶信息、發(fā)單編號(hào)、分發(fā)人員、時(shí)間信息等，這些水印信息的嵌入，能夠有效地保護(hù)數(shù)據(jù)版權(quán)、追蹤數(shù)據(jù)行蹤、區(qū)分不同用戶、檢查非法數(shù)據(jù)來(lái)源、追查違法責(zé)任。圖2是南京師范大學(xué)研發(fā)的“吉印”地理空間數(shù)據(jù)數(shù)字水印系統(tǒng)的嵌入界面。

圖2 “吉印”地理空間數(shù)據(jù)數(shù)字水印系統(tǒng)嵌入界面

2.2 可見水印在網(wǎng)絡(luò)發(fā)布中的應(yīng)用

在網(wǎng)絡(luò)等場(chǎng)合發(fā)布的數(shù)據(jù)，希望能夠公開自由地瀏覽，但不希望能被他人用于商業(yè)目的，這時(shí)除了加入不可見的版權(quán)等信息，還可以加入可見且難以去除的水印。可見水印能夠具有任意的可見度，圖3是一個(gè)多層次的可見水印示例，水印信息具有不同的可見度，不同的應(yīng)用可以選擇不同的可見度。圖4是一個(gè)多可見水印的示例，可以在一幅數(shù)據(jù)中嵌入多個(gè)水印信息，水印信息的位置、數(shù)量、可見度、方向等可以根據(jù)需要選擇。

2.3 脆弱水印在完整性認(rèn)證中的應(yīng)用

脆弱水印用于數(shù)據(jù)的真?zhèn)伪鎰e和完整性鑒定，在原始數(shù)據(jù)中嵌入某種標(biāo)記信息，通過(guò)鑒別這些標(biāo)記信息的改動(dòng)，達(dá)到對(duì)原始數(shù)字產(chǎn)品完整性檢驗(yàn)的目的。與魯棒水印不同的是，脆弱水印應(yīng)隨著水印載體的變動(dòng)做出相應(yīng)的改變，即體現(xiàn)脆弱性。通過(guò)脆弱水印技術(shù)，在高分辨率遙感數(shù)據(jù)中嵌入脆弱水印信息，能夠識(shí)別數(shù)據(jù)是否進(jìn)行了修改，能夠有效地檢測(cè)數(shù)據(jù)是否完整。圖5是原始影像數(shù)據(jù)，下頁(yè)圖6是修改過(guò)的數(shù)據(jù)，其中方框表示修改范圍。

圖3 一個(gè)多層次的可見水印示例

圖4 一個(gè)多可見水印的示例

圖5 原始數(shù)據(jù)

2.4 魯棒水印在信息隱藏中的應(yīng)用

通過(guò)數(shù)字水印思想和技術(shù)，可以將高分辨率遙感數(shù)據(jù)的頭文件、參數(shù)等附屬文件作為水印信息嵌入到數(shù)據(jù)中，這樣可以使附屬文件和數(shù)據(jù)本身融為一體，節(jié)省數(shù)據(jù)存貯空間，防止附屬文件的修改對(duì)應(yīng)用的影響，也能夠保證數(shù)據(jù)即使附屬文件丟失也能夠使用。

圖6 修改后的數(shù)據(jù)及范圍

3 高分辨率遙感數(shù)據(jù)數(shù)字水印系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用得到了廣泛的重視，其應(yīng)用軟件系統(tǒng)的建立和應(yīng)用也得到了不斷發(fā)展，取得了一系列成果。

3.1 “吉印”地理空間數(shù)據(jù)數(shù)字水印系統(tǒng)

《“吉印”地理空間數(shù)據(jù)數(shù)字水印系統(tǒng)》是南京師范大學(xué)在國(guó)家“863”項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家社科基金重大項(xiàng)目、總部項(xiàng)目等支持下，通過(guò)解決了一直困擾水印應(yīng)用的一系列瓶頸問題，利用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)研制而成的。系統(tǒng)針對(duì)影像數(shù)據(jù)的主要特征包括：①適應(yīng)多種數(shù)據(jù)類型和格式。能支持影像數(shù)據(jù)常用的Bmp、Jpg、Tif、Png、Img等格式；②運(yùn)行高效。批量嵌入和檢測(cè)水印信息，運(yùn)行高效。嵌入效率達(dá)8 M/s，檢測(cè)效率達(dá)12 M/s；③抗攻擊性好。系統(tǒng)能有效地抵抗數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、裁剪、平移、旋轉(zhuǎn)、放大、縮小、噪聲、簡(jiǎn)化、壓縮、刪除、增加、拼接等攻擊。

《“吉印”地理空間數(shù)據(jù)數(shù)字水印系統(tǒng)》可以作為獨(dú)立軟件，也可作為組件或插件使用。系統(tǒng)已應(yīng)用于“天地圖”主節(jié)點(diǎn)及部分省市節(jié)點(diǎn)、“資源3號(hào)”數(shù)據(jù)安全分發(fā)管理，并在軍事、測(cè)繪、地理信息、規(guī)劃、地質(zhì)、國(guó)土、公安、導(dǎo)航等領(lǐng)域的100余家單位得到應(yīng)用。

3.2 高分辨率遙感數(shù)據(jù)數(shù)字水印系統(tǒng)

圖7 高分辨率遙感數(shù)據(jù)數(shù)字水印系統(tǒng)基本框架

建立實(shí)用、可靠的高分辨率遙感數(shù)據(jù)數(shù)字水印系統(tǒng)，對(duì)于高分辨率遙感數(shù)據(jù)安全應(yīng)用具有重要作用。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，高分辨率遙感數(shù)據(jù)數(shù)字水印系統(tǒng)可分為4個(gè)子系統(tǒng)，分別是不可見水印子系統(tǒng)、可見水印子系統(tǒng)、脆弱水印子系統(tǒng)、信息隱藏子系統(tǒng)，系統(tǒng)的分發(fā)模式可以是一級(jí)分發(fā)模式或多級(jí)分發(fā)模式。系統(tǒng)基本框架如圖7所示。

4 高分辨率遙感數(shù)據(jù)數(shù)字水印技術(shù)展望

數(shù)字水印技術(shù)在高分辨率遙感數(shù)據(jù)中的可靠應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)，必須根據(jù)高分辨率遙感數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和應(yīng)用需求，在一些關(guān)鍵理論和技術(shù)問題方面進(jìn)行深入研究。

4.1 高分辨率遙感數(shù)據(jù)水印數(shù)學(xué)模型建立

水印數(shù)學(xué)模型建立是水印研究和應(yīng)用的基石?；诟叻直媛蔬b感數(shù)據(jù)和數(shù)字水印特征，建立有效的數(shù)字水印數(shù)學(xué)模型，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字水印技術(shù)在高分辨率遙感數(shù)據(jù)中的可靠應(yīng)用的關(guān)鍵。

4.2 高分辨率遙感數(shù)據(jù)脆弱水印算法

本研究采用樣地法取樣。2017年10月和11月，分別于3類生態(tài)系統(tǒng)中順相同坡向各設(shè)置3條樣帶，每樣帶內(nèi)從坡底到坡頂設(shè)置3個(gè)20 m × 20 m樣方。在草地和人工林每樣方內(nèi)的4個(gè)拐角和中心取1 m× 1 m的草本樣方，在次生林每樣方內(nèi)相同方法分別取5 m× 5 m樣方調(diào)查灌木和1 m× 1 m樣方調(diào)查草本。因此，樣地共有9個(gè)20 m×20 m樣方，45個(gè)1 m×1 m草本小樣方和45個(gè)5 m×5 m灌草層小樣方。水準(zhǔn)儀測(cè)量坡度，羅盤測(cè)量坡向。

目前針對(duì)遙感數(shù)據(jù)的魯棒水印的研究較多，然而，對(duì)遙感數(shù)據(jù)脆弱水印算法研究較少。通過(guò)對(duì)遙感數(shù)據(jù)脆弱水印算法的深入研究，可促進(jìn)高分辨率遙感數(shù)據(jù)水印技術(shù)的不斷完善，具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。

4.3 高分辨率遙感數(shù)據(jù)水印數(shù)據(jù)精度

精度是高分辨率遙感數(shù)據(jù)的重要特征，因此，在高分辨率遙感數(shù)據(jù)水印研究和應(yīng)用中，要充分重視對(duì)水印數(shù)據(jù)精度的研究，研究水印數(shù)據(jù)精度分布規(guī)律，研究水印數(shù)據(jù)精度對(duì)應(yīng)用的影響，研究有效的提高水印數(shù)據(jù)精度的方法。

4.4 高分辨率遙感水印數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)用的影響

高分辨率遙感數(shù)據(jù)有多方面的應(yīng)用，需要深入研究嵌入水印后的數(shù)據(jù)在影像匹配、分類、特征提取、DEM提取等方面的影響和規(guī)律，確保嵌入水印的數(shù)據(jù)不影響數(shù)據(jù)的后期使用。

4.5 高分辨率遙感數(shù)據(jù)水印系統(tǒng)的可用性

高分辨率遙感數(shù)據(jù)水印技術(shù)的最終目的是將其應(yīng)用于數(shù)據(jù)安全管理中，模型和算法的可用性是必須解決的關(guān)鍵問題，其中包括水印系統(tǒng)的效率、海量數(shù)據(jù)、大數(shù)據(jù)的處理、拓?fù)湟恢滦蕴幚怼⒖梢暬治?、誤差分析等。

5 結(jié)論

高分辨率遙感數(shù)據(jù)對(duì)于國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)、社會(huì)大眾等都具有重要作用，其應(yīng)用面也越來(lái)越廣，與此同時(shí)，其面臨的安全問題也越來(lái)越嚴(yán)峻，迫切需要可靠的技術(shù)手段來(lái)保護(hù)其安全。數(shù)字水印技術(shù)作為數(shù)字化數(shù)據(jù)安全的前沿技術(shù)，對(duì)于高分辨率遙感數(shù)據(jù)安全保護(hù)具有不可替代的重要作用。在現(xiàn)有研究和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，結(jié)合高分辨率遙感數(shù)據(jù)特點(diǎn)和應(yīng)用需求，建立高分辨率遙感數(shù)據(jù)數(shù)字水印系統(tǒng)，是目前高分辨率遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用中亟待解決的關(guān)鍵問題，對(duì)于高分辨率遙感數(shù)據(jù)安全應(yīng)用具有重要意義。

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表3 不同速度下的散布范圍

由18頁(yè)圖14可知，當(dāng)速度為1.5 m/s入水時(shí)彈道散布最大，而后隨之速度增大而減小，到3 m/s時(shí)最小。由此可見，在速度超過(guò)一定值后，隨著速度的增加，散布范圍逐漸減小。速度由很小開始增大時(shí)，由于受到的流體動(dòng)力增大，對(duì)彈道影響增大，彈道散布范圍變大；速度繼續(xù)增大時(shí)，流體動(dòng)力對(duì)柱體水平方向影響的時(shí)間更短，在綜合作用下相同深度時(shí)柱體散布范圍變化減小。

3 結(jié)論

根據(jù)入水過(guò)程中的流體動(dòng)力系數(shù)隨空泡數(shù)變化特性，建立了入水彈道模型，得到了柱體垂直大攻角入水時(shí)水彈道的計(jì)算方法，完成了柱體大攻角入水彈道仿真程序。經(jīng)檢驗(yàn)該方法可以快速地預(yù)測(cè)柱體大攻角入水的彈道信息，給出了柱體大攻角入水彈道仿真過(guò)程中入水攻角、速度及其對(duì)入水散布的影響。此方法更具有工程性，能較快得到簡(jiǎn)單回轉(zhuǎn)體的入水彈道信息，具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

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Applications of High Resolution Remote Sensing Data Security Based on Digital Watermark

REN Na1，ZHU Chang-qing1，HUANG Jia-zhu1，WANG Dan2
（1.Key Laboratory of Virtual Geographic Environment of Ministry of Education，Nanjing Normal University，Nanjing 210023，China；
2.Information Center，Jiangsu Provincial Bureau of Surverying，Mapping and Geoinformation，Nanjing 210013，China）

With the continuous expansion of the applications of high resolution remote sensing data，a crucial issue of the security and copyright of high resolution remote sensing data arises.The digital watermark technique is considered as an efficient and reliable approach to protect the high resolution remote sensing data.Firstly，the basic principles of digital watermark are introduced and the characteristics of watermark for high resolution remote sensing data are analyzed.Then，the applications of digital watermark in the security distribution management and web publishing of high resolution remote sensing data are studied and explored.Besides，the digital watermark system of high resolution remote sensing data is designed.Finally，the digital watermark technique of high resolution remote sensing data is looked forward.

high resolution remote sensing data，digital watermark，security，robust watermark，fragile watermark

TP391

A

1002-0640（2015）02-0019-05

2014-01-08

2014-02-13

國(guó)家自然科學(xué)基金（41301413）；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（BK20130903）

任娜（1981-），女，山東萊西人，博士。研究方向：地理空間數(shù)據(jù)安全。