数字水印技术在高分辨率遥感数据安全保护中的应用*

任娜，朱长青，黄家柱，王丹

（1.南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室，南京210023；2.江苏省测绘地理信息局信息中心，南京210013）

数字水印技术在高分辨率遥感数据安全保护中的应用*

任娜1，朱长青1，黄家柱1，王丹2

（1.南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室，南京210023；2.江苏省测绘地理信息局信息中心，南京210013）

随着高分辨率遥感数据应用的不断扩展，其安全和版权问题也日益突出。利用数字水印技术保护高分辨率遥感数据安全是目前可行、可靠的技术手段。介绍了数字水印基本原理并分析了高分辨率遥感数据数字水印特征，研究了数字水印技术在高分辨率遥感数据安全分发管理、网络发布等方面的应用，探讨了高分辨率遥感数据数字水印系统设计，并对高分辨率遥感数据数字水印技术进行了展望。

高分辨率遥感数据，数字水印，安全，鲁棒水印，脆弱水印

0 引言

高分辨率遥感数据具有分辨率高、精度高、成本高、应用领域广等特点，因此，其安全问题尤其重要，它不仅涉及国家安全、国防安全，也涉及知识产权保护、数据共享和服务等方面，是制约高分辨率遥感数据全面推广和产业化应用的重要因素之一。在目前网络化、数字化时代，数据在获取、访问、传播、复制等方面极为方便快捷，但同时违法、盗版、侵权等行为也日益严重，如何保护高分辨率遥感数据的安全是当前迫切需要解决的重要问题。

加密技术是传统的信息安全技术，但其存在致命弱点，即密码一旦破译，数据便会失控，数据安全就难以保证。因此，发展新的安全技术弥补加密技术的不足显得十分必要。

数字水印技术是近年来发展起来的信息安全前沿技术，它是将水印信息（如版权信息、用户信息等）嵌入到数字化数据中，使水印信息成为数据不可分离的一部分，由此来确定版权拥有者、跟踪侵权行为、认证数字内容来源的真实性、提供关于数字内容的其他附加信息等［1-2］。同时对于加强责任心、震慑非法行为、有据可查等具有重要作用。

数字水印技术在图像、图形、视频、音频等领域的安全保护方面取得了许多应用［3-5］，近几年数字水印技术在测绘、地理信息、军事等领域也得到了广泛应用［6-14］。在高分辨率遥感数据安全保护中，如何充分利用数字水印的特点，建立针对高分辨率遥感数据的数字水印模型和算法，建立可靠、实用的数字水印系统，是实现高分辨率遥感数据安全、深入、广泛应用的前提。

本文针对高分辨率遥感数据特点，对数字水印技术在高分辨率遥感数据安全管理中的应用、关键问题及系统建立等进行了研究。

1 高分辨率遥感数据数字水印技术特征

1.1 数字水印基本框架

一个完整的数字水印系统包括水印嵌入器和检测器两大部分，嵌入器至少具有两个输入量，一个是水印信息，另外一个是原始载体数据。嵌入器的输出为含水印信息的载体数据，该数据通常用于分发或者传输。检测器的输入至少为含有水印信息的载体数据。检测器的输出为判断水印信息的有无，如果含有水印信息，则输出所嵌入的水印信息；否则，提示不存在水印信息。通用的数字水印框架系统如图1所示［15-16］。

图1 数字水印系统基本框架

1.2 数字水印分类

根据水印嵌入的可见程度，数字水印可以划分为可见水印和不可见水印。可见水印是指嵌入水印后的数据在视觉上可以清楚地看到水印信息，如文字或图片信息。不可见水印是指嵌入水印后的数据在视觉上跟原始载体数据没有明显的区别，水印信息存在但不可见。

根据水印特征，数字水印可以划分为鲁棒水印和脆弱水印。鲁棒水印具有好的鲁棒性，水印能够抵抗各种有意无意攻击，主要用于数据分发管理。脆弱水印与鲁棒水印的需求相反，对数据的修改非常敏感，可以定位数据的修改位置和修改量，主要用于数据完整性保护。

1.3 数字水印作用

数字水印技术在不同领域作用有所不同，在高分辨率遥感数据安全保护方面，数字水印作用主要有如下方面。

（1）版权保护。在数据中嵌入数据版权拥有者等信息，可以有效地保护数据的版权，打击非法使用行为。

（2）使用追踪。在数据中同时嵌入版权、用户、使用时间等信息，用于区分、识别不同的用户，能够为追踪数据行踪、检查非法数据来源、追查责任等提供有效可靠的依据。

（3）内容保护。在数据中嵌入可见且难以去除的信息，使数据只可以浏览，但不能用于其他目的。

（4）完整性认证。在数据中嵌入脆弱水印，识别数据是否进行了修改，对于保护数据的完整性具有重要作用。

（5）信息隐藏。将数据的头文件、参数等作为水印信息隐藏到数据中。

1.4 高分辨率遥感数据数字水印技术特征

高分遥感数据数字水印技术除满足普通图像水印要求外，还应满足以下几个方面的要求［15］：

（1）不可感知性。嵌入不可见水印对于数据是不可感知的或不可见的，不影响数据视觉效果。

（2）精度特性。精度和分辨率特性是高分辨率遥感数据基本特征，高分辨率遥感数据数字水印不仅要求不可感知性，还要保证其精度在允许范围内，不对其后期的使用如立体像对生成或DEM生成等产生影响。

（3）鲁棒性。鲁棒性是衡量水印算法优劣的重要指标。高分辨率遥感数据数字水印必须能经受恶意或有意的攻击，应该能够抵抗常见裁剪、拼接、压缩、旋转、滤波、锐化、平移、噪声、删除等攻击。

（4）高效性。高分辨率遥感数据量庞大，经常高达数十G以上，因此，高分辨率遥感数据水印算法应该高效、实用。

要达到上述技术特征，其关键和核心在于建立针对高分辨率遥感数据特点的数字水印模型和算法，在鲁棒性、精度、效率、可用性等方面达到高度统一。

2 数字水印技术在高分辨率遥感数据中的应用

高分辨率遥感数据应用领域广泛，根据其应用特点，数字水印技术在高分辨率遥感数据中的应用主要包括如下几个方面。

2.1 鲁棒水印在数据安全分发管理中的应用

高分辨率遥感数据应用于不同部门、不同领域，同一份数据也可能用于多个用户，如果直接分发给用户，一旦出现非法流传、复制、使用、泄密等安全问题，难以追查责任人。通过数字水印技术，可以在数据中嵌入不可见的版权信息、用户信息、发单编号、分发人员、时间信息等，这些水印信息的嵌入，能够有效地保护数据版权、追踪数据行踪、区分不同用户、检查非法数据来源、追查违法责任。图2是南京师范大学研发的“吉印”地理空间数据数字水印系统的嵌入界面。

图2 “吉印”地理空间数据数字水印系统嵌入界面

2.2 可见水印在网络发布中的应用

在网络等场合发布的数据，希望能够公开自由地浏览，但不希望能被他人用于商业目的，这时除了加入不可见的版权等信息，还可以加入可见且难以去除的水印。可见水印能够具有任意的可见度，图3是一个多层次的可见水印示例，水印信息具有不同的可见度，不同的应用可以选择不同的可见度。图4是一个多可见水印的示例，可以在一幅数据中嵌入多个水印信息，水印信息的位置、数量、可见度、方向等可以根据需要选择。

2.3 脆弱水印在完整性认证中的应用

脆弱水印用于数据的真伪辨别和完整性鉴定，在原始数据中嵌入某种标记信息，通过鉴别这些标记信息的改动，达到对原始数字产品完整性检验的目的。与鲁棒水印不同的是，脆弱水印应随着水印载体的变动做出相应的改变，即体现脆弱性。通过脆弱水印技术，在高分辨率遥感数据中嵌入脆弱水印信息，能够识别数据是否进行了修改，能够有效地检测数据是否完整。图5是原始影像数据，下页图6是修改过的数据，其中方框表示修改范围。

图3 一个多层次的可见水印示例

图4 一个多可见水印的示例

图5 原始数据

2.4 鲁棒水印在信息隐藏中的应用

通过数字水印思想和技术，可以将高分辨率遥感数据的头文件、参数等附属文件作为水印信息嵌入到数据中，这样可以使附属文件和数据本身融为一体，节省数据存贮空间，防止附属文件的修改对应用的影响，也能够保证数据即使附属文件丢失也能够使用。

图6 修改后的数据及范围

3 高分辨率遥感数据数字水印系统设计

目前，数字水印技术的应用得到了广泛的重视，其应用软件系统的建立和应用也得到了不断发展，取得了一系列成果。

3.1 “吉印”地理空间数据数字水印系统

《“吉印”地理空间数据数字水印系统》是南京师范大学在国家“863”项目、国家自然科学基金项目、国家社科基金重大项目、总部项目等支持下，通过解决了一直困扰水印应用的一系列瓶颈问题，利用自主知识产权研制而成的。系统针对影像数据的主要特征包括：①适应多种数据类型和格式。能支持影像数据常用的Bmp、Jpg、Tif、Png、Img等格式；②运行高效。批量嵌入和检测水印信息，运行高效。嵌入效率达8 M/s，检测效率达12 M/s；③抗攻击性好。系统能有效地抵抗数据格式转换、裁剪、平移、旋转、放大、缩小、噪声、简化、压缩、删除、增加、拼接等攻击。

《“吉印”地理空间数据数字水印系统》可以作为独立软件，也可作为组件或插件使用。系统已应用于“天地图”主节点及部分省市节点、“资源3号”数据安全分发管理，并在军事、测绘、地理信息、规划、地质、国土、公安、导航等领域的100余家单位得到应用。

3.2 高分辨率遥感数据数字水印系统

图7 高分辨率遥感数据数字水印系统基本框架

建立实用、可靠的高分辨率遥感数据数字水印系统，对于高分辨率遥感数据安全应用具有重要作用。根据实际应用需求，高分辨率遥感数据数字水印系统可分为4个子系统，分别是不可见水印子系统、可见水印子系统、脆弱水印子系统、信息隐藏子系统，系统的分发模式可以是一级分发模式或多级分发模式。系统基本框架如图7所示。

4 高分辨率遥感数据数字水印技术展望

数字水印技术在高分辨率遥感数据中的可靠应用与实现，必须根据高分辨率遥感数据的特点和应用需求，在一些关键理论和技术问题方面进行深入研究。

4.1 高分辨率遥感数据水印数学模型建立

水印数学模型建立是水印研究和应用的基石。基于高分辨率遥感数据和数字水印特征，建立有效的数字水印数学模型，是实现数字水印技术在高分辨率遥感数据中的可靠应用的关键。

4.2 高分辨率遥感数据脆弱水印算法

本研究采用样地法取样。2017年10月和11月，分别于3类生态系统中顺相同坡向各设置3条样带，每样带内从坡底到坡顶设置3个20 m × 20 m样方。在草地和人工林每样方内的4个拐角和中心取1 m× 1 m的草本样方，在次生林每样方内相同方法分别取5 m× 5 m样方调查灌木和1 m× 1 m样方调查草本。因此，样地共有9个20 m×20 m样方，45个1 m×1 m草本小样方和45个5 m×5 m灌草层小样方。水准仪测量坡度，罗盘测量坡向。

目前针对遥感数据的鲁棒水印的研究较多，然而，对遥感数据脆弱水印算法研究较少。通过对遥感数据脆弱水印算法的深入研究，可促进高分辨率遥感数据水印技术的不断完善，具有重要的理论和应用价值。

4.3 高分辨率遥感数据水印数据精度

精度是高分辨率遥感数据的重要特征，因此，在高分辨率遥感数据水印研究和应用中，要充分重视对水印数据精度的研究，研究水印数据精度分布规律，研究水印数据精度对应用的影响，研究有效的提高水印数据精度的方法。

4.4 高分辨率遥感水印数据对应用的影响

高分辨率遥感数据有多方面的应用，需要深入研究嵌入水印后的数据在影像匹配、分类、特征提取、DEM提取等方面的影响和规律，确保嵌入水印的数据不影响数据的后期使用。

4.5 高分辨率遥感数据水印系统的可用性

高分辨率遥感数据水印技术的最终目的是将其应用于数据安全管理中，模型和算法的可用性是必须解决的关键问题，其中包括水印系统的效率、海量数据、大数据的处理、拓扑一致性处理、可视化分析、误差分析等。

5 结论

高分辨率遥感数据对于国家经济建设、国防建设、社会大众等都具有重要作用，其应用面也越来越广，与此同时，其面临的安全问题也越来越严峻，迫切需要可靠的技术手段来保护其安全。数字水印技术作为数字化数据安全的前沿技术，对于高分辨率遥感数据安全保护具有不可替代的重要作用。在现有研究和应用的基础上，结合高分辨率遥感数据特点和应用需求，建立高分辨率遥感数据数字水印系统，是目前高分辨率遥感数据应用中亟待解决的关键问题，对于高分辨率遥感数据安全应用具有重要意义。

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表3 不同速度下的散布范围

由18页图14可知，当速度为1.5 m/s入水时弹道散布最大，而后随之速度增大而减小，到3 m/s时最小。由此可见，在速度超过一定值后，随着速度的增加，散布范围逐渐减小。速度由很小开始增大时，由于受到的流体动力增大，对弹道影响增大，弹道散布范围变大；速度继续增大时，流体动力对柱体水平方向影响的时间更短，在综合作用下相同深度时柱体散布范围变化减小。

3 结论

根据入水过程中的流体动力系数随空泡数变化特性，建立了入水弹道模型，得到了柱体垂直大攻角入水时水弹道的计算方法，完成了柱体大攻角入水弹道仿真程序。经检验该方法可以快速地预测柱体大攻角入水的弹道信息，给出了柱体大攻角入水弹道仿真过程中入水攻角、速度及其对入水散布的影响。此方法更具有工程性，能较快得到简单回转体的入水弹道信息，具有较强的指导意义。

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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

国家自然科学基金（41301413）；江苏省自然科学基金资助项目（BK20130903）

任娜（1981-），女，山东莱西人，博士。研究方向：地理空间数据安全。