基于ArcGIS的矢量脫密數據恢復分析

劉仁志 范柱國 劉培毓

摘? 要： 地理信息是指有關于自然、經濟和人為現象的地理空間位置的信息，是重要的戰略信息資源，對維護國家安全和社會穩定起著至關重要的作用。地理信息技術在給人們的生產和生活帶來巨大便利的同時，地理信息的安全共享問題亟待解決。本文并根據ArcGIS的工作原理和模型特征設計了數據恢復方法，實現了一定條件下線性脫密數據的精確恢復。

關鍵詞： 矢量脫密;數據恢復;ArcGIS;多項式變換;線性變換

【Abstract】： Geographic information refers to the information on geospatial location of natural， economic and artificial phenomena. As important strategic information resource， it plays vital role in maintaining national security and social stability. Geographic information technology brings great convenience to people's production and living，however， it is an urgent to solve problem of security and sharing of geographic information. According to working principle and model characteristics of ArcGIS， the article designs a data recovery method， to achieve accurate recovery of linear decryption data under some certain conditions.

【Key words】： Vector decryption; Data recovery; ArcGIS; Polynomial transformation; Linear transformation

0? 引言

地理信息的安全保護與共享應用之間的矛盾至今還未得到有效解決，國內外普遍采用地理信息產品安全等級管理機制和對外公開時的脫密處理方法這兩種地理信息安全監管方法如美國主要通過轉換數據、限制數據等方式進行敏感地理信息保護。國內則部分采用脫密技術進行涉密地理信息的轉換處理[1]。本文進行基于ArcGIS的矢量脫密地理數據恢復方法研究，一方面有助于驗證現有矢量數據脫密方法的可靠性與脫密數據的抗攻擊性;另一方面，可以驗證矢量數據脫密方法的可逆性，從而探究涉密矢量數據在互聯網環境下安全傳輸存儲以及低精度的矢量脫密數據恢復為高精度矢量數據的可行性[2-3]。

1? 基于ArcGIS的線性脫密數據恢復實驗對象

本章使用ArcGIS的空間校正工具進行恢復實驗，實驗數據為某區域shp格式矢量圖“nnu.shp”，數據尺寸為507*500 m2，WGS84投影坐標系，地物要素包含建筑物、道路、湖泊等，實驗數據如圖1所示。本文所有實驗結果圖中，紅線代表原數據，藍色代表脫密數據，綠線代表恢復數據，后續實驗不再贅述。

2? 脫密流程

在ArcGIS中分別使用相似變換、仿射變換、射影變換對實驗數據進行脫密處理，脫密的具體步驟如下：

第一步：在ArcGIS中加載實驗用shp文件，開始編輯。設置編輯圖層為“nnu.shp”。

第二步：打開空間校正工具，設置脫密圖層為“nnu.shp”，選擇校正方法。

第三步：建立20對位移鏈接。源控制點選點原則為以原數據范圍的最小外接矩形作為選點區域，均勻選擇20個控制點。目標控制點為隨機選擇的非源控制點的任意坐標，滿足與原控制點的中誤差暨坐標點位偏移量大于40，以滿足地理數據脫密要求。保存位移連接表，如圖2所示。

第四步：執行校正操作，得到脫密數據。

3? 實驗結果

在ArcGIS中分別使用相似變換、仿射變換、射影變換進行脫密處理結果如圖3。

4? 已知密鑰的數據恢復方法研究

本節研究已知密鑰的矢量脫密地理數據的恢復方法，本文密鑰特指脫密使用的控制點對與脫密模型。

4.1? 基于20對脫密控制點的數據恢復方法

利用ArcGIS進行已知密鑰恢復方法默認為已知源控制點與目標控制點坐標以及脫密模型。其恢復流程步驟如下：

第一步：在ArcGIS中加載矢量脫密數據，開始編輯。設置編輯圖層為矢量脫密數據。

第二步：打開空間校正工具，設置恢復圖層為“nnu.shp”，選擇與脫密數據一致的校正方法。

第三步：打開脫密實驗中保存的位移鏈接表，將源控制點與目標控制點對換，保存后導入ArcGIS。

第四步：執行校正操作，得到恢復數據。

基于脫密控制點對的數據恢復實驗結果如圖4、圖5、圖6。

由實驗結果可知，脫密數據并未完全恢復。根據線性變換模型的可逆特性，相似、仿射、射影線性脫密數據在已知脫密模型類型和控制點的情況下可以確定唯一的恢復變換矩陣實現脫密數據的精確恢復。

4.2? 對比實驗

由模型分析內容可知，相似變換、仿射變換、射影變換矩陣解算參數最少需要的控制點對分別是2對、3對、4對。為了驗證脫密恢復理論的正確性，我們改變實驗條件，在相應脫密過程中分別建立確定脫密模型需要最少數量的位移連接，重新進行脫密與恢復實驗，實驗結果如圖7至圖12所示。

分析實驗結果與ArcGIS空間變換工具運行原理可知，產生兩次實驗結果分歧的原因是隨機選擇的20個脫密用位移連接不能滿足同一仿射變換矩陣，ArcGIS在進行空間校正時使用最小二乘法計算出了最接近目標點集B的B，使位移連接中源點集A與B滿足同一變換矩陣[4-5]。進行恢復實驗時恢復模型應滿足將B恢復到A。故在基于ArcGIS進行矢量

5? 未知密鑰的數據恢復方法研究

在實際應用過程中還會遇到未知脫密模型的矢量脫密地理數據，使用4.1節的恢復方法可以得出基于相似變換、仿射變換、與射影變換的三種恢復結果。以仿射變換為脫密模型為例，實驗結果如13至圖15所示。

實驗結果可知，只有采用仿射模型的恢復方法實現了脫密數據的精確恢復。故僅當恢復模型與脫密模型一致時，數據才能精確恢復。理論上使用線性脫密方法的矢量地理數據可以精確恢復，但在模型未知僅已知控制點情況下，無法判斷恢復結果的精確與否[6-7]。

6? 結論與展望

6.1? 研究結論

本文以幾何校正技術為基礎，圍繞著矢量地理數據脫密與恢復需求，進行以下研究。首先分析了不同幾何校正模型的特點及區別。其次設計了已知與未知密鑰的情況下對矢量地理數據進行脫密并恢復的實驗方法，并進行了簡單的精度分析，通過對比評價結果，反映恢復模型的恢復能力[8-9]。主要研究結論及成果如下：

（1）根據常用線性幾何校正模型，設計了針對矢量脫密地理數據的恢復方法。對該方法產生的恢

復精度誤差進行分析，并根據ArcGIS的工作原理和模型特征設計了數據恢復方法，實現了脫密數據的精確恢復。

（2）設計了使用射影和多項式模型的恢復方法，進行了對相似、仿射、射影、多項式、徑向基脫密數據的恢復實驗。通過對中誤差分析的結果可知：射影和多項式兩種恢復方法均能實現本文線性脫密數據的精確恢復，說明線性脫密方法的可恢復性較好;多項式恢復方法對多項式脫密數據恢復效果良好，且優于射影恢復效果;兩種方法對徑向基脫密數據的恢復效果均較差[10]。

6.2? 不足與展望

本文在研究中還存在著以下不足之處：

（1）恢復方法過于簡單。本文涉及的模型不夠豐富，大部分研究都是基于ArcGIS實現的，由于軟件功能有限，且筆者二次開發能力的不足，對于脫密數據的恢復研究仍存在局限性，更多有效的恢復模型仍需進一步研究。

（2）在誤差分析中，樣本點為手動選取，仍然存在一定的誤差。恢復效果評價也僅采用中誤差對比分析，指標選取較為單一，全面系統的評價體系有待進一步研究。

參考文獻

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