信息隱藏保護數字高程模型數據技術進展

趙強 羅永

摘要：本文介紹了利用信息隱藏技術來保護數字高程模型數據的一些方法，包括數字水印技術、紋理隱藏地形數據技術、地形偽裝技術等。這些技術為DEM數據的保護提供了新的途徑。

關鍵詞：信息隱藏；數字高程模型；信息偽裝

0引 言

基于信息隱藏的應用技術能夠解決當前信息安全領域中的很多問題，在網絡互動信息交流、信息溝通方面的應用前景不可限量。

信息隱藏技術必須考慮正常的信息操作所造成的威脅，即要使機密資料對正常的數據操作技術（如信號變換操作或數據壓縮等）具有免疫能力。該技術存在以下特性: 魯棒性、可檢測性、透明性、安全性、恢復性。

如何實現DEM數據的使用控制和安全通訊是一個非常重要的問題。另一方面，三維地形數據龐大，如何提高DEM數據的傳輸和儲存效率也是使用過程中一個亟待解決的問題。

針對這些問題，本文主要介紹地形信息的保護技術，來解決DEM數據的保護和安全通訊問題。介紹了目前幾種新的利用信息隱藏和偽裝保護DEM數據的技術，包括DEM水印技術、紋理隱藏高程數據技術、DEM偽裝技術。

1DEM水印技術

采用小波變換來實現信息的隱藏和提取：將版權標志以數字水印的方式嵌入到DEM數據中，可以保護數據的版權；將數據的重要參數（數據的地理坐標等）隱藏起來，限制非法用戶的使用（沒有這些參數，數據毫無用處），解決DEM數據的安全問題。

在這項技術中，源數據是數字高程模型（DEM）數據，水印數據是版權標志或者是DEM數據重要的參數信息。嵌入水印的過程需要保證DEM數據描述的地形信息基本不變，也即保持地形形狀和地面起伏狀態。

選取帶參數整數小波來實現DEM數據的水印算法。水印具有很好的不可見性，嵌入水印以后的DEM數據保持了很好的質量，地形的起伏特征沒有發生變化，并且水印嵌入DEM數據以后可以準確地提取出來。

2帶紋理的三維地形數據信息隱藏算法

如果在地形圖的表面加上紋理，那么就可以既刻畫地形又能表征地面的特征。紋理數據是一個二維的圖像數據，和地形數據一起可以很直觀地表示地理信息。該算法的基本思路是將高程數據隱藏在紋理圖像中。

首先將DEM高程數據進行壓縮；第二步對紋理圖像進行小波變換，將壓縮以后的DEM數據隱藏到紋理數據的小波變換系數中；最后重構數據，就得到了隱藏信息的紋理圖像。

圖2是該算法的演示實驗。從實驗中可以看出來，隱藏了高程數據的紋理圖像（圖2.c）具有很高的保真度，紋理圖像在嵌入信息前后的差別是視覺分辨不出來的?；謴统鰜淼腄EM數據保持了地面起伏和地形形狀不變。

3兩組DEM數據的偽裝算法

這種偽裝算法是通過對兩組真實數據進行隨機疊像處理，產生出一個偽裝數據，然后將其中一組真實的數據經過壓縮以后，隱藏到偽裝數據中。該算法要實現信息隱藏、信息偽裝、以及高效的DEM數據壓縮三方面的功能。

算法流程如圖3所示。首先應用疊像技術將兩組DEM數據生成一個偽裝的數據；然后將其中一組DEM數據經過小波壓縮算法進行壓縮；再對偽裝的DEM數據進行小波變換，將壓縮以后的那一組DEM數據隱藏到偽裝DEM數據的小波系數中；最后重構偽裝數據，就得到了隱藏信息的偽裝數據。

從實驗中可以看出來，該方法達到了良好的偽裝特性，并且兩組真實的DEM數據都得到了恢復?；謴统鰜淼腄EM數據保持了地面起伏和地形形狀不變（如圖4）。

該偽裝算法偽裝效果好，與經典密碼學理論結合，安全性高。算法可以完全公開，只要密碼和密鑰不丟失，就能保證偽裝數據的安全。一組偽裝數據可以一次傳輸兩組真實數據，傳輸效率高。相對于分形偽裝算法而言，消除偽裝需要保留的參數信息少，運算效率也有了大幅度的提高。

4基于模糊關系的DEM數據信息偽裝算法

結合模糊理論中模糊關系的思想和信息偽裝技術來保護DEM數據，可實現對DEM數據的偽裝。合法用戶在不需要任何原始DEM信息的條件下，可以從偽裝數據中恢復出真實的DEM數據；非法的用戶只能夠獲得一個偽裝過的，且沒有實際用處的高程數據。

首先利用二維波動方程隨機產生一個DEM地形數據，這個地形數據在已知密碼和參量的情況下是可以再現的，以便恢復真實的地形數據。然后構造隨機DEM數據和真實DEM數據之間的模糊關系矩陣，通過模糊關系矩陣生成偽裝DEM數據。一個模糊矩陣對應一種偽裝方式，這個模糊矩陣也可以通過密碼再現。

從實驗中可以看出來，該方法達到了良好的偽裝效果，并且真實的DEM數據能得到恢復。恢復出來的DEM數據保持了地面起伏和地形形狀不變。

這種偽裝算法是非常安全的，如果要獲得真實的數據就必須知道偽裝信息過程中使用到的隨機產生的DEM數據和模糊矩陣。由于它們都是通過Hash函數控制生成，在生成方法公開的前提下，沒有密碼K和ID，這個序列是不能夠準確再現的。

5結 語

我國已經完成了三維地形數據庫的建設工作，如何實現高效安全通訊和保護是下一步需要解決的關鍵問題。由于三維數據量龐大，對安全的要求性高，傳統的信息保護與通訊手段效率都很低。利用信息隱藏的方法來對三維地形數據進行保護，提高了數據的安全性和通訊效率。