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书名：地理空间矢量数据数字水印技术
定价：59.0
ISBN：9787030551405
作者：张黎明，闫浩文
版次：1
出版时间：2017-12
内容提要：
地理空间数据是GIS应用的核心，其对国民经济、国防建设和人类生活起着重要的作用，已广泛应用于社会各行业、各部门，如城市规划、交通、银行、环保、通信航空航天等。数字水印是保护数字地图版权的一种有效方法，随着地理空间数据安全保护需求的日益增加，数字水印技术必将发挥着越来越重要的作用。本书系统论述了地理空间矢量数据数字水印技术的基本概念和基本原理，是笔者在这一领域的*新研究成果。其主要内容包括：地理空间矢量数据数字水印技术的研究进展、地理空间矢量数据数字水印技术的理论基础、地理空间矢量数据空间域数字水印技术、地理空间矢量数据变换域数字水印技术、多技术融合的地理空间矢量数据数字水印技术和抵抗投影攻击的地理空间矢量数据数字水印技术等。
目录：
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景和意义 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 研究意义 4
1.2 研究现状 5
1.2.1 数字水印技术的研究现状 5
1.2.2 地理空间矢量数据数字水印算法的研究现状 6
1.3 研究存在的问题 12
1.4 本书的研究内容及创新、技术路线与组织结构 13
1.4.1 研究内容及创新 13
1.4.2 技术路线 15
1.4.3 组织结构 16
第2章 地理空间矢量数据数字水印技术基础 18
2.1 数字水印技术概述 18
2.1.1 数字水印的定义和特征 18
2.1.2 数字水印系统的基本框架 20
2.1.3 数字水印的置乱 23
2.2 地理空间矢量数据数字水印技术的特征 25
2.2.1 地理空间矢量数据及其特征 26
2.2.2 地理空间矢量数据数字水印技术概述 27
2.2.3 地理空间矢量数据数字水印算法 29
2.2.4 地理空间矢量数据数字水印攻击 29
2.3 本章小结 31
第3章 地理空间矢量数据空间域盲数字水印技术 32
3.1 基于归一化的地理空间矢量数据盲数字水印算法 32
3.1.1 地理空间矢量数据归一化 32
3.1.2 数字水印算法 36
3.1.3 试验及分析 38
3.1.4 算法说明 43
3.2 运用QR码的地理空间矢量数据盲数字水印算法 43
3.2.1 字符数字水印的特点 43
3.2.2 QR码及数字水印预处理 44
3.2.3 数字水印嵌入与提取 44
3.2.4 试验及分析 47
3.2.5 算法说明 50
3.3 本章小结 50
第4章 地理空间矢量数据变换域盲数字水印技术 52
4.1 基于DFT的可控误差地理空间矢量数据盲数字水印算法 52
4.1.1 DFT变换域数字水印算法的原理 52
4.1.2 误差控制原理 54
4.1.3 数字水印嵌入与提取算法 54
4.1.4 试验及分析 57
4.1.5 算法说明 59
4.2 基于特征点的地理空间矢量数据盲数字水印算法 60
4.2.1 基于特征点的数字水印算法分析 61
4.2.2 数字水印嵌入与提取算法 62
4.2.3 试验及分析 64
4.2.4 算法说明 69
4.3 一种网格划分的点数据DFT变化域盲数字水印算法 69
4.3.1 数字水印算法 69
4.3.2 试验及分析 73
4.3.3 算法说明 77
4.4 本章小结 77
第5章 多技术融合的地理空间矢量数据数字水印技术 79
5.1 地理空间矢量数据多重数字水印特点分析 79
5.2 一种多重数字水印嵌入算法 80
5.2.1 空间域数字水印嵌入算法 80
5.2.2 DFT变换域数字水印嵌入算法 81
5.2.3 数字水印提取算法 82
5.3 试验及分析 83
5.3.1 误差及不可见性分析 83
5.3.2 鲁棒性分析 84
5.3.3 增加点、修改点及裁剪攻击 85
5.3.4 压缩及要素删除攻击 85
5.3.5 几何攻击 86
5.3.6 乱序及格式转换攻击 86
5.3.7 数字水印嵌入顺序的影响 87
5.3.8 R取值对数字水印提取的影响 87
5.4 本章小结 87
第6章 抵抗投影变换攻击的地理空间矢量数据盲数字水印技术 88
6.1 投影变换对数字水印的影响 88
6.1.1 投影变换 88
6.1.2 投影变换对数字水印的影响 89
6.2 算法思路 90
6.2.1 数字水印嵌入算法 91
6.2.2 数字水印提取算法 92
6.3 试验及分析 92
6.3.1 误差及不可见性分析 93
6.3.2 鲁棒性分析 94
6.4 本章小结 97
第7章 总结和展望 98
7.1 总结 98
7.2 展望 100
参考文献 102
在线试读：
第1章 绪论
随着全球环境的日益恶化，环境保护成为当今人类社会共同关注的重大问题。由于环境问题和环境过程都与地理空间位置有关，环境保护离不开环境地理信息的采集和处理。据统计，85%以上的环境地理信息都与地理空间位置有关，具有明显的空间分布特征（黄菊，2012）。而地理信息系统（geographic information system，GIS）凭借强大的空间分析和统计功能，已经成为人们解决各种复杂环境问题和正确认知环境地理空间的重要工具（李旭祥等，2008）。
1.1 研究背景和意义
1.1.1 研究背景
环境科学涉及的多种信息处理技术（如环境监测技术和环境管理技术等）正在通过与GIS技术的相互集成，逐渐形成功能强大并具有明显环境特征的信息系统，即环境地理信息系统（geographic information system for environment，EGIS）。它是采集、存储、管理、分析和处理环境空间信息的计算机系统，是GIS技术与环境科学相互集成的、功能强大的并具有明显环境特征的信息系统。EGIS近年来已发展成为辅助人们进行环境保护的综合性技术平台，在环境规划、环境管理、环境监测、生态保护、环境影响评价和环境污染事故应急处理等领域具有广阔的应用前景（刘勇、井文涌，1997）。图1.1是太湖流域水资源信息服务系统，在水资源信息化管理的基础上，结合EGIS强大的空间分析、空间查询和可视化表达及专题图制图等功能，为决策者提供技术手段，为社会相关部门及社会公众提供信息服务。
环境地理数据在EGIS中是不可缺少的重要基础数据。2014年，测绘地理信息系统共提供各种比例尺地形图28.96万张，提供“4D”成果数据153.50TB，累计面积为42706.53万km2①。环境地理数据一般由测绘部门或环保部门生产和管理，数据的获取通常要借助于昂贵的专业设备和大量的人力、物力，其版权保护、数据安全和数据共享等越来越引起人们的重视。随着EGIS技术的成熟与广泛应用，环境地理数据发挥着越来越巨大的作用，具有重要的科研与应用价值。
图1.1 太湖流域水资源信息服务系统
近年来，随着信息化、数字化和网络化的飞速发展，环境地理数据的获取、存储、传播、使用和复制等都变得非常方便快捷。人们在享受这一便捷的同时，极易造成环境地理数据的非法拷贝和复制。环境地理数据的安全面临严峻挑战，安全问题更加突出。目前，针对环境地理数据的分发管理大部分还停留在传统的针对纸质地图的管理层次上，仍然采用申请、登记、领取（购买）数据的方式进行，使得数据分发之后的去向难以控制，数据安全无法保证。因此，无法解决数据的泄密、非法流传、盗版、无偿使用和非法获利等问题，从而导致一系列的问题：首先，由于环境地理数据的保密性高、价值大，数据拥有者对数据往往采取严格的保护措施，不敢轻易分发或共享数据，造成环境地理数据的分发或共享受阻；其次，由于安全技术无法跟上实际需要，数据的传播受到限制，也就造成环境地理数据难以发挥作用，应用部门很难得到数据，正常工作受损，*终导致整个产业受损，影响EGIS的发展、应用和效益。
2008年，北京长地万方科技有限公司控诉深圳市凯立德计算机系统技术有限公司导航电子地图产品侵权，法院*终判决认定，被告的《凯立德全国导航电子地图（335城市）》与原告的《“道道通”导航电子地图》存在内容相同或近似，法院认定了原告列举的非常明显的99处侵权点，如虚设地址相同、长地版本号相同、特制信息相同、个别字误相同、表述不当相同、同类地点的多种表述相同、不规范简称相同、未简全称相同、信息取舍相同、被控作品存在有点无路的不合理情形、两者所犯错误相同和位置关系标注相同等情况。导航电子地图的信息是海量的，侵权点不仅此99处。由此可见，数字产品的侵权行为难以判断和认定，没有相应的技术和法律法规的支持，权利人很难对一些侵权行为进行证据保全，增加了诉讼的成本和难度。这类问题严重影响了地理信息系统、数字城市和电子政务等地理信息相关产业的健康发展。数字水印技术可以解决这一难题，在地图数据中嵌入数字水印信息，通过数字水印技术能够提取到隐藏的版权标识，实现版权保护。
因此，如何保证环境地理数据的安全、保护知识产权已成为急需解决的现实问题。不论是环境地理数据的完整性，还是所有者的合法权益，都需要有效技术来保护，化解数据共享、应用和安全之间的矛盾。
数据加密技术在数据安全领域内有着悠久的历史，其起源可以追溯到罗马时代，如古罗马的“恺撒密码技术”。但直到1949年，香农发表了题为《保密系统的通信理论》一文，使得加密技术的研究真正成为一门学科。传统的数字加密技术是将数据文件加密成密文，只允许持有密钥的人员使用原文数据，无法通过公共系统让更多的人获得其所需要的信息，严重妨碍了环境地理数据的共享使用。同时，解密后的数据可以被任意复制和传播，数据就会失控，数据版权得不到有效保护（朱长青，2009）。另外，盗版者通过购买正版数据产品，使用密钥解密后获得毫无保护的数据副本，然后非法发行数据副本，数据同样失控。因此，传统的数字加密技术在知识产权保护方面具有很大局限性。
在一定的情况下，数字签名技术可以发挥数据安全保护的功能（如数据源的验证、数据完整性的确认），但数字签名与原始数字产品的内容是完全独立的两个部分，因而比较容易被分离开来，这不会影响到原始数字产品的正常使用，同时也就无法对数据安全保护起到应有的作用。
由于密码学技术对数字化产品保护能力的局限性，数字水印技术应运而生，被称为“数字化数据保护的*后一道防线”（孙圣和等，2004）。数字水印技术是将数字水印信息（如版权信息和用户信息等）嵌入到数字载体中，使数字水印信息成为数据不可分离的一部分，并且不影响原始载体的使用价值，也不容易被人类的视觉感知察觉或注意到（可见水印除外）。
目前，数字水印技术的研究主要集中在图像、图形、视频和音频等领域。近年来，数字水印技术在地理空间矢量数据领域的研究越来越多，但环境地理空间矢量数据方面的研究成果还远不能满足实际应用的需求，存在许多急需解决的问题。例如，空间域数字水印算法如何抵抗几何变换攻击、变换域数字水印算法如何控制数字水印嵌入引起的误差和多技术融合的地理空间矢量数据数字水印算法的研究等，特别是抵抗投影攻击的数字水印技术鲜有研究（闵连权等，2009）。
1.1.2 研究意义
（1）环境地理空间数据版权保护的需要
环境地理空间数据，特别是矢量空间数据是EGIS应用的核心。在各种EGIS系统建设中，地理空间数据的建库大概要占到整个系统建设70%的工作量，数据的采集、整理和后期加工需要耗费大量的人力财力（胡鹏，2002），版权保护尤为重要。地理空间数据以数字化方式储存，这些数据极易被复制，复制物与原件的内容品质相同并且复制成本低廉，因此，其被侵害的概率往往很高，这就需要从技术层面上识别出数据所有者和传播者。数字水印技术是近年来出现的数字产品版权保护技术，可以标识作者、所有者和使用者等，并携带有版权保护信息和认证信息，为环境地理空间数据的版权保护提供有力的技术支持。
（2）环境地理信息产业发展的必然要求
GIS为各级环境管理部门提供了新的技术手段。目前，各种层次和规模的EGIS在环境保护工作中具有巨大优势和潜力。但是，非法拷贝和复制使得数据生产者（拥有者）不愿轻易公开或发布其产品，不愿共享，不敢共享，严重阻碍了EGIS产业的发展和具有重要价值的环境地理空间数据的广泛应用（崔翰川，2013）。因此，如何保护环境地理空间数据的安全与知识产权已成为急需解决的现实问题。解决这一问题，既需要完善的法规制度，也需要先进的技术手段来解决环境地理空间数据的版权保护问题，从而有效保护数据生产者（拥有者）和使用者的合法权益，促进环境地理空间数据的共享与交易，从而保障EGIS等环境地理信息产业的安全和健康发展（朱长青，2014）。
（3）环境地理信息系统科学理论体系的重要内容
环境地理信息系统是一种空间信息系统，具有信息学科的一般特征（李旭祥等，2008）。地理信息安全在信息学科中具有重要的地位和作用，环境地理空间数据安全也具有同样重要的研究意义。尽管各国已经制定了相关的保密政策与法规，并在环境地理信息系统建设中采取了一些安全措施，但目前环境地理空间数据安全现状堪忧，还缺乏完善的理论基础和技术支持，急需开展地理信息安全的基础理论和技术方法的研究。
因此，本书就数字水印技术在地理空间矢量数据版权保护方面深入研究，根据环境地理空间矢量数据自身的特性，研究适用于EGIS的地理空间矢量数据版权保护的鲁棒水印算法，目的在于一方面提出能够抵抗多种数字水印攻击、鲁棒性高的盲水印算法；另一方面，对抗投影攻击的地理空间矢量数据数字水印技术进行探索。
1.2 研究现状
1.2.1 数字水印技术的研究现状
关于数字水印技术研究的论述首见于Tirkel等（1993）发表的一篇文章Electronic Watermark，以及随后发表的另一篇文章A Digital Watermark（Schyndel et al. ,1994）。数字水印技术自提出以后，由于其在数字产品版权保护、内容认证和使用跟踪等方面具有独特的作用而逐渐成为研究热点，许多学者和研究机构对数字水印技术进行了深入的研究，其中包括麻省理工学院、剑桥大学和南加利福尼亚大学等大学，以及微软亚洲研究院、IBM、SONY、PHILIPS和NEC等大公司。国内许多大学和研究所紧跟国际研究步伐，对数字水印技术进行深入研究，包括如中国科学院、北京邮电大学、西安电子科技大学、南京师范大学、浙江大学和中国人民解放军国防科技大学等（王奇胜，2012）。二十多年来，经过国内外学者广泛、深入的研究，数字水印技术研究在水印理论和方法上取得了很多研究成果。
除了理论研究，数字水印软件产品也不断涌现。美国的Digimarc公司是一个专门从事数字水印技术研究的公司，于1996年推出第*个数字水印商业软件，以插件的形式将该软件集成到Adobe公司的著名的Photoshop和Corel Draw图像处理软件中（孙鸿睿，2013）。为满足对数字水印系统评估的要求，英国剑桥大学的Fabien Petitcolas等设计了一个名为Stirmark 的通用的水印基准测试软件，建立了一套针对不同数字水印算法性能评估和比较的模型，该软件已经成为数字水印领域使用*为广泛的水印评测工具，Stirmark可从多方面通过模拟多种数据水印攻击手段来测试数据水印的鲁棒性。除此之外，目前公开报道的数字水印软件还有Digimarc公司的系列产品PictureMarc、ReadMarc、BatchMarc、Marc Center、Marc Spider，英国Signum公司的SureSign系列产品，Alpha公司的EIKONAmark和MediaSec公司的 SysCop系列产品等（杨成松，2011）。
总体来说，目前数字水印技术的研究大部分集中于以图像、音频、视频数据为载体的数字水印技术上，理论研究和技术应用上取得了较大进步，而在地理空间数据特别是地理空间矢量数据方面的研究相对较少。随着数字水印技术被引入到地理空间数据安全及版权保护中，地理空间数据数字水印作为数字水印技术在专业领域的一种应用将逐渐成为数字水印技术研究热点之一。
1.2.2 地理空间矢量数据数字水印算法的研究现状
使用“watermark vector GIS”作为关键字，通过查询工程索引数据库，从1969~2015年，共有44篇相关文献。从文献数量看，2000年出现了该领域的第*篇文章，之后5年中，每年2~3篇，2007年出现了5篇，表明这方面的研究逐渐增多。2009年和2010年论文数量分别是7篇和8篇，表明这是一个新兴的学术领域，也是一个专业化程度非常高的研究方向。从论文数量看，大陆17篇和台湾地区2篇，韩国6篇，这表明中国在该学术领域具有绝对的领先地位，中文文献具有世界*先水平的参考价值。
地理空间矢量数据数字水印技术自提出以来，引起了国内外学者的广泛重视。许多科研机构和大学学者进行了相关研究。例如，国外研究机构和大学主要有Yamanashi University和Hokkaido University（日本）、Aristotle University of Thessaloniki（希腊）、Myongji University（韩国）、Northern Illinois University、University of California（美国）、University of Zagreb（克罗地亚）、Technical University Darmstadt（德国）、University of Delhi和Indian Institute of Science（印度）及The Digital Map Ltd.（乌拉圭）等（杨成松，2011）；国内研究机构和大学主要有南京师范大学、西安电子科技大学、中国人民解放军信息工程大学、哈尔滨工程大学、武汉大学、中南大学、北京邮电大学和兰州交通大学等。
一般来说，根据数字水印的嵌入位置，地理空间矢量数据数字水印算法可以分为空间域数字水印算法和变换域数字水印算法。本书从空间域数字水印算法和变换域数字水印算法两方面对地理空间矢量数据数字水印算法的研究现状进行综述。
（1）空间域数字水印算法
空间域数字水印算法是将数字水印信息直接嵌入矢量数据各顶点坐标上。典型算法如LSB算法，即数字水印嵌入空间数据的*低有效位部分。贾培宏等（2004）提出采用LSB与地理空间矢量数据拓扑相结合的算法，并对数字水印信
定价：59.0
ISBN：9787030551405
作者：张黎明，闫浩文
版次：1
出版时间：2017-12
内容提要：
地理空间数据是GIS应用的核心，其对国民经济、国防建设和人类生活起着重要的作用，已广泛应用于社会各行业、各部门，如城市规划、交通、银行、环保、通信航空航天等。数字水印是保护数字地图版权的一种有效方法，随着地理空间数据安全保护需求的日益增加，数字水印技术必将发挥着越来越重要的作用。本书系统论述了地理空间矢量数据数字水印技术的基本概念和基本原理，是笔者在这一领域的*新研究成果。其主要内容包括：地理空间矢量数据数字水印技术的研究进展、地理空间矢量数据数字水印技术的理论基础、地理空间矢量数据空间域数字水印技术、地理空间矢量数据变换域数字水印技术、多技术融合的地理空间矢量数据数字水印技术和抵抗投影攻击的地理空间矢量数据数字水印技术等。
目录：
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景和意义 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 研究意义 4
1.2 研究现状 5
1.2.1 数字水印技术的研究现状 5
1.2.2 地理空间矢量数据数字水印算法的研究现状 6
1.3 研究存在的问题 12
1.4 本书的研究内容及创新、技术路线与组织结构 13
1.4.1 研究内容及创新 13
1.4.2 技术路线 15
1.4.3 组织结构 16
第2章 地理空间矢量数据数字水印技术基础 18
2.1 数字水印技术概述 18
2.1.1 数字水印的定义和特征 18
2.1.2 数字水印系统的基本框架 20
2.1.3 数字水印的置乱 23
2.2 地理空间矢量数据数字水印技术的特征 25
2.2.1 地理空间矢量数据及其特征 26
2.2.2 地理空间矢量数据数字水印技术概述 27
2.2.3 地理空间矢量数据数字水印算法 29
2.2.4 地理空间矢量数据数字水印攻击 29
2.3 本章小结 31
第3章 地理空间矢量数据空间域盲数字水印技术 32
3.1 基于归一化的地理空间矢量数据盲数字水印算法 32
3.1.1 地理空间矢量数据归一化 32
3.1.2 数字水印算法 36
3.1.3 试验及分析 38
3.1.4 算法说明 43
3.2 运用QR码的地理空间矢量数据盲数字水印算法 43
3.2.1 字符数字水印的特点 43
3.2.2 QR码及数字水印预处理 44
3.2.3 数字水印嵌入与提取 44
3.2.4 试验及分析 47
3.2.5 算法说明 50
3.3 本章小结 50
第4章 地理空间矢量数据变换域盲数字水印技术 52
4.1 基于DFT的可控误差地理空间矢量数据盲数字水印算法 52
4.1.1 DFT变换域数字水印算法的原理 52
4.1.2 误差控制原理 54
4.1.3 数字水印嵌入与提取算法 54
4.1.4 试验及分析 57
4.1.5 算法说明 59
4.2 基于特征点的地理空间矢量数据盲数字水印算法 60
4.2.1 基于特征点的数字水印算法分析 61
4.2.2 数字水印嵌入与提取算法 62
4.2.3 试验及分析 64
4.2.4 算法说明 69
4.3 一种网格划分的点数据DFT变化域盲数字水印算法 69
4.3.1 数字水印算法 69
4.3.2 试验及分析 73
4.3.3 算法说明 77
4.4 本章小结 77
第5章 多技术融合的地理空间矢量数据数字水印技术 79
5.1 地理空间矢量数据多重数字水印特点分析 79
5.2 一种多重数字水印嵌入算法 80
5.2.1 空间域数字水印嵌入算法 80
5.2.2 DFT变换域数字水印嵌入算法 81
5.2.3 数字水印提取算法 82
5.3 试验及分析 83
5.3.1 误差及不可见性分析 83
5.3.2 鲁棒性分析 84
5.3.3 增加点、修改点及裁剪攻击 85
5.3.4 压缩及要素删除攻击 85
5.3.5 几何攻击 86
5.3.6 乱序及格式转换攻击 86
5.3.7 数字水印嵌入顺序的影响 87
5.3.8 R取值对数字水印提取的影响 87
5.4 本章小结 87
第6章 抵抗投影变换攻击的地理空间矢量数据盲数字水印技术 88
6.1 投影变换对数字水印的影响 88
6.1.1 投影变换 88
6.1.2 投影变换对数字水印的影响 89
6.2 算法思路 90
6.2.1 数字水印嵌入算法 91
6.2.2 数字水印提取算法 92
6.3 试验及分析 92
6.3.1 误差及不可见性分析 93
6.3.2 鲁棒性分析 94
6.4 本章小结 97
第7章 总结和展望 98
7.1 总结 98
7.2 展望 100
参考文献 102
在线试读：
第1章 绪论
随着全球环境的日益恶化，环境保护成为当今人类社会共同关注的重大问题。由于环境问题和环境过程都与地理空间位置有关，环境保护离不开环境地理信息的采集和处理。据统计，85%以上的环境地理信息都与地理空间位置有关，具有明显的空间分布特征（黄菊，2012）。而地理信息系统（geographic information system，GIS）凭借强大的空间分析和统计功能，已经成为人们解决各种复杂环境问题和正确认知环境地理空间的重要工具（李旭祥等，2008）。
1.1 研究背景和意义
1.1.1 研究背景
环境科学涉及的多种信息处理技术（如环境监测技术和环境管理技术等）正在通过与GIS技术的相互集成，逐渐形成功能强大并具有明显环境特征的信息系统，即环境地理信息系统（geographic information system for environment，EGIS）。它是采集、存储、管理、分析和处理环境空间信息的计算机系统，是GIS技术与环境科学相互集成的、功能强大的并具有明显环境特征的信息系统。EGIS近年来已发展成为辅助人们进行环境保护的综合性技术平台，在环境规划、环境管理、环境监测、生态保护、环境影响评价和环境污染事故应急处理等领域具有广阔的应用前景（刘勇、井文涌，1997）。图1.1是太湖流域水资源信息服务系统，在水资源信息化管理的基础上，结合EGIS强大的空间分析、空间查询和可视化表达及专题图制图等功能，为决策者提供技术手段，为社会相关部门及社会公众提供信息服务。
环境地理数据在EGIS中是不可缺少的重要基础数据。2014年，测绘地理信息系统共提供各种比例尺地形图28.96万张，提供“4D”成果数据153.50TB，累计面积为42706.53万km2①。环境地理数据一般由测绘部门或环保部门生产和管理，数据的获取通常要借助于昂贵的专业设备和大量的人力、物力，其版权保护、数据安全和数据共享等越来越引起人们的重视。随着EGIS技术的成熟与广泛应用，环境地理数据发挥着越来越巨大的作用，具有重要的科研与应用价值。
图1.1 太湖流域水资源信息服务系统
近年来，随着信息化、数字化和网络化的飞速发展，环境地理数据的获取、存储、传播、使用和复制等都变得非常方便快捷。人们在享受这一便捷的同时，极易造成环境地理数据的非法拷贝和复制。环境地理数据的安全面临严峻挑战，安全问题更加突出。目前，针对环境地理数据的分发管理大部分还停留在传统的针对纸质地图的管理层次上，仍然采用申请、登记、领取（购买）数据的方式进行，使得数据分发之后的去向难以控制，数据安全无法保证。因此，无法解决数据的泄密、非法流传、盗版、无偿使用和非法获利等问题，从而导致一系列的问题：首先，由于环境地理数据的保密性高、价值大，数据拥有者对数据往往采取严格的保护措施，不敢轻易分发或共享数据，造成环境地理数据的分发或共享受阻；其次，由于安全技术无法跟上实际需要，数据的传播受到限制，也就造成环境地理数据难以发挥作用，应用部门很难得到数据，正常工作受损，*终导致整个产业受损，影响EGIS的发展、应用和效益。
2008年，北京长地万方科技有限公司控诉深圳市凯立德计算机系统技术有限公司导航电子地图产品侵权，法院*终判决认定，被告的《凯立德全国导航电子地图（335城市）》与原告的《“道道通”导航电子地图》存在内容相同或近似，法院认定了原告列举的非常明显的99处侵权点，如虚设地址相同、长地版本号相同、特制信息相同、个别字误相同、表述不当相同、同类地点的多种表述相同、不规范简称相同、未简全称相同、信息取舍相同、被控作品存在有点无路的不合理情形、两者所犯错误相同和位置关系标注相同等情况。导航电子地图的信息是海量的，侵权点不仅此99处。由此可见，数字产品的侵权行为难以判断和认定，没有相应的技术和法律法规的支持，权利人很难对一些侵权行为进行证据保全，增加了诉讼的成本和难度。这类问题严重影响了地理信息系统、数字城市和电子政务等地理信息相关产业的健康发展。数字水印技术可以解决这一难题，在地图数据中嵌入数字水印信息，通过数字水印技术能够提取到隐藏的版权标识，实现版权保护。
因此，如何保证环境地理数据的安全、保护知识产权已成为急需解决的现实问题。不论是环境地理数据的完整性，还是所有者的合法权益，都需要有效技术来保护，化解数据共享、应用和安全之间的矛盾。
数据加密技术在数据安全领域内有着悠久的历史，其起源可以追溯到罗马时代，如古罗马的“恺撒密码技术”。但直到1949年，香农发表了题为《保密系统的通信理论》一文，使得加密技术的研究真正成为一门学科。传统的数字加密技术是将数据文件加密成密文，只允许持有密钥的人员使用原文数据，无法通过公共系统让更多的人获得其所需要的信息，严重妨碍了环境地理数据的共享使用。同时，解密后的数据可以被任意复制和传播，数据就会失控，数据版权得不到有效保护（朱长青，2009）。另外，盗版者通过购买正版数据产品，使用密钥解密后获得毫无保护的数据副本，然后非法发行数据副本，数据同样失控。因此，传统的数字加密技术在知识产权保护方面具有很大局限性。
在一定的情况下，数字签名技术可以发挥数据安全保护的功能（如数据源的验证、数据完整性的确认），但数字签名与原始数字产品的内容是完全独立的两个部分，因而比较容易被分离开来，这不会影响到原始数字产品的正常使用，同时也就无法对数据安全保护起到应有的作用。
由于密码学技术对数字化产品保护能力的局限性，数字水印技术应运而生，被称为“数字化数据保护的*后一道防线”（孙圣和等，2004）。数字水印技术是将数字水印信息（如版权信息和用户信息等）嵌入到数字载体中，使数字水印信息成为数据不可分离的一部分，并且不影响原始载体的使用价值，也不容易被人类的视觉感知察觉或注意到（可见水印除外）。
目前，数字水印技术的研究主要集中在图像、图形、视频和音频等领域。近年来，数字水印技术在地理空间矢量数据领域的研究越来越多，但环境地理空间矢量数据方面的研究成果还远不能满足实际应用的需求，存在许多急需解决的问题。例如，空间域数字水印算法如何抵抗几何变换攻击、变换域数字水印算法如何控制数字水印嵌入引起的误差和多技术融合的地理空间矢量数据数字水印算法的研究等，特别是抵抗投影攻击的数字水印技术鲜有研究（闵连权等，2009）。
1.1.2 研究意义
（1）环境地理空间数据版权保护的需要
环境地理空间数据，特别是矢量空间数据是EGIS应用的核心。在各种EGIS系统建设中，地理空间数据的建库大概要占到整个系统建设70%的工作量，数据的采集、整理和后期加工需要耗费大量的人力财力（胡鹏，2002），版权保护尤为重要。地理空间数据以数字化方式储存，这些数据极易被复制，复制物与原件的内容品质相同并且复制成本低廉，因此，其被侵害的概率往往很高，这就需要从技术层面上识别出数据所有者和传播者。数字水印技术是近年来出现的数字产品版权保护技术，可以标识作者、所有者和使用者等，并携带有版权保护信息和认证信息，为环境地理空间数据的版权保护提供有力的技术支持。
（2）环境地理信息产业发展的必然要求
GIS为各级环境管理部门提供了新的技术手段。目前，各种层次和规模的EGIS在环境保护工作中具有巨大优势和潜力。但是，非法拷贝和复制使得数据生产者（拥有者）不愿轻易公开或发布其产品，不愿共享，不敢共享，严重阻碍了EGIS产业的发展和具有重要价值的环境地理空间数据的广泛应用（崔翰川，2013）。因此，如何保护环境地理空间数据的安全与知识产权已成为急需解决的现实问题。解决这一问题，既需要完善的法规制度，也需要先进的技术手段来解决环境地理空间数据的版权保护问题，从而有效保护数据生产者（拥有者）和使用者的合法权益，促进环境地理空间数据的共享与交易，从而保障EGIS等环境地理信息产业的安全和健康发展（朱长青，2014）。
（3）环境地理信息系统科学理论体系的重要内容
环境地理信息系统是一种空间信息系统，具有信息学科的一般特征（李旭祥等，2008）。地理信息安全在信息学科中具有重要的地位和作用，环境地理空间数据安全也具有同样重要的研究意义。尽管各国已经制定了相关的保密政策与法规，并在环境地理信息系统建设中采取了一些安全措施，但目前环境地理空间数据安全现状堪忧，还缺乏完善的理论基础和技术支持，急需开展地理信息安全的基础理论和技术方法的研究。
因此，本书就数字水印技术在地理空间矢量数据版权保护方面深入研究，根据环境地理空间矢量数据自身的特性，研究适用于EGIS的地理空间矢量数据版权保护的鲁棒水印算法，目的在于一方面提出能够抵抗多种数字水印攻击、鲁棒性高的盲水印算法；另一方面，对抗投影攻击的地理空间矢量数据数字水印技术进行探索。
1.2 研究现状
1.2.1 数字水印技术的研究现状
关于数字水印技术研究的论述首见于Tirkel等（1993）发表的一篇文章Electronic Watermark，以及随后发表的另一篇文章A Digital Watermark（Schyndel et al. ,1994）。数字水印技术自提出以后，由于其在数字产品版权保护、内容认证和使用跟踪等方面具有独特的作用而逐渐成为研究热点，许多学者和研究机构对数字水印技术进行了深入的研究，其中包括麻省理工学院、剑桥大学和南加利福尼亚大学等大学，以及微软亚洲研究院、IBM、SONY、PHILIPS和NEC等大公司。国内许多大学和研究所紧跟国际研究步伐，对数字水印技术进行深入研究，包括如中国科学院、北京邮电大学、西安电子科技大学、南京师范大学、浙江大学和中国人民解放军国防科技大学等（王奇胜，2012）。二十多年来，经过国内外学者广泛、深入的研究，数字水印技术研究在水印理论和方法上取得了很多研究成果。
除了理论研究，数字水印软件产品也不断涌现。美国的Digimarc公司是一个专门从事数字水印技术研究的公司，于1996年推出第*个数字水印商业软件，以插件的形式将该软件集成到Adobe公司的著名的Photoshop和Corel Draw图像处理软件中（孙鸿睿，2013）。为满足对数字水印系统评估的要求，英国剑桥大学的Fabien Petitcolas等设计了一个名为Stirmark 的通用的水印基准测试软件，建立了一套针对不同数字水印算法性能评估和比较的模型，该软件已经成为数字水印领域使用*为广泛的水印评测工具，Stirmark可从多方面通过模拟多种数据水印攻击手段来测试数据水印的鲁棒性。除此之外，目前公开报道的数字水印软件还有Digimarc公司的系列产品PictureMarc、ReadMarc、BatchMarc、Marc Center、Marc Spider，英国Signum公司的SureSign系列产品，Alpha公司的EIKONAmark和MediaSec公司的 SysCop系列产品等（杨成松，2011）。
总体来说，目前数字水印技术的研究大部分集中于以图像、音频、视频数据为载体的数字水印技术上，理论研究和技术应用上取得了较大进步，而在地理空间数据特别是地理空间矢量数据方面的研究相对较少。随着数字水印技术被引入到地理空间数据安全及版权保护中，地理空间数据数字水印作为数字水印技术在专业领域的一种应用将逐渐成为数字水印技术研究热点之一。
1.2.2 地理空间矢量数据数字水印算法的研究现状
使用“watermark vector GIS”作为关键字，通过查询工程索引数据库，从1969~2015年，共有44篇相关文献。从文献数量看，2000年出现了该领域的第*篇文章，之后5年中，每年2~3篇，2007年出现了5篇，表明这方面的研究逐渐增多。2009年和2010年论文数量分别是7篇和8篇，表明这是一个新兴的学术领域，也是一个专业化程度非常高的研究方向。从论文数量看，大陆17篇和台湾地区2篇，韩国6篇，这表明中国在该学术领域具有绝对的领先地位，中文文献具有世界*先水平的参考价值。
地理空间矢量数据数字水印技术自提出以来，引起了国内外学者的广泛重视。许多科研机构和大学学者进行了相关研究。例如，国外研究机构和大学主要有Yamanashi University和Hokkaido University（日本）、Aristotle University of Thessaloniki（希腊）、Myongji University（韩国）、Northern Illinois University、University of California（美国）、University of Zagreb（克罗地亚）、Technical University Darmstadt（德国）、University of Delhi和Indian Institute of Science（印度）及The Digital Map Ltd.（乌拉圭）等（杨成松，2011）；国内研究机构和大学主要有南京师范大学、西安电子科技大学、中国人民解放军信息工程大学、哈尔滨工程大学、武汉大学、中南大学、北京邮电大学和兰州交通大学等。
一般来说，根据数字水印的嵌入位置，地理空间矢量数据数字水印算法可以分为空间域数字水印算法和变换域数字水印算法。本书从空间域数字水印算法和变换域数字水印算法两方面对地理空间矢量数据数字水印算法的研究现状进行综述。
（1）空间域数字水印算法
空间域数字水印算法是将数字水印信息直接嵌入矢量数据各顶点坐标上。典型算法如LSB算法，即数字水印嵌入空间数据的*低有效位部分。贾培宏等（2004）提出采用LSB与地理空间矢量数据拓扑相结合的算法，并对数字水印信