2. 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心, 江苏 南京 210023
2. Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application, Nanjing 210023, China
地理数据是国家基础设施建设与地球信息科学研究的重要基础，是国民经济和国防建设中不可缺少的战略资源，已广泛应用于各行各业。随着网络化、信息化、数字化技术的快速发展，地理数据的获取、复制与传播越来越方便，其遭受的泄密、盗版、侵权、窃取等行为也屡禁不止，面临的安全问题越来越突出。
针对地理数据安全，国家和军队制定了一系列法律、规章、条例和制度来保护地理数据安全[1]。2017年4月新修订的《中华人民共和国测绘法》明确提出“测绘成果保管单位应当采取措施保障测绘成果的完整和安全”、“地理信息生产、保管、利用单位应当对属于国家秘密的地理信息的获取、持有、提供、利用情况进行登记并长期保存，实行可追溯管理”[2]。
保障地理数据安全、实行可追溯管理，除了制定完善的法规，更需要从技术手段上提供安全支撑。目前，针对地理数据的安全保护技术，从保护方式上可以分为事后追究和事先防范两大类。数字水印技术是事后追究的代表性技术，它将包含数据版权、用户、时间等内容的水印信息按照数学规则嵌入数据中，并使得水印信息与数据紧密结合为一体，从而实现数据的版权保护、用户区分、追根溯源等[3]。对于地理数据的生产、管理、分发和更新，数字水印技术可以应用于其整个生命周期中，构建其安全保护的一道坚实防线。加密控制技术或称访问控制技术是数据事先防范的代表性技术，它是运用密码学理论对数据进行加密，保证数据在密文状态下的安全性，使用时通过对用户合法性的确认进行访问权限的控制，对密文解密提供明文状态下的访问，实现对地理数据使用环境、使用期限的严格控制。
本文围绕地理数据安全，对目前国内外地理数据数字水印技术和加密控制技术的研究进展及应用现状进行综述和分析，并对其研究和应用前景进行展望。
1 地理数据数字水印技术研究进展在地理数据数字水印技术研究中，需要着重考虑地理数据本身结构的特点，基于数字水印思想，进行地理数据数字水印模型和算法的深入研究。地理数据总体可分为矢量地理数据、栅格地理数据、数字高程模型(DEM)数据这3类，因此地理数据数字水印技术的研究主要围绕这3类数据开展进行。
1.1 矢量地理数据数字水印技术研究进展矢量地理数据是通过点、线、面及其组合体实现对地理空间要素的描述，并记录对象的属性信息，具有空间信息和属性信息的并存特征。地理坐标作为矢量地理数据中空间信息的载体，也为水印信息提供了一定的承载空间。从水印嵌入域划分，矢量地理数据数字水印算法主要分为基于空间域的水印算法和基于变换域的水印算法。
1.1.1 基于空间域的矢量地理数据数字水印算法矢量地理数据空域水印算法是指在水印嵌入过程中，通过直接改变矢量数据的坐标值，将水印信息嵌入数据点或数据特征中。早期的水印研究大多是基于空域展开，但是由于空域算法是直接对矢量数据坐标进行操作，对矢量数据的攻击易导致水印的破坏，因而如何提高空域水印算法的抗差性，是学者们研究的重点。
MQUAD算法较早得了关注和研究，它运用改进的四叉树分块算法，在各块中嵌入水印，提升抵抗增删点、噪声和缩放攻击的能力[4]。采用增加冗余数据点的方法，能够保证原始数据的精度[5]，但是对压缩攻击的抗差性不佳。为实现水印算法对压缩攻击的抗差性，可使用道格拉斯压缩算法对矢量地理数据进行预处理，将水印嵌入到压缩后的数据点中，能够避免压缩后水印信息的破坏[6-7]，选择关键图层和关键点数据也可达到相同效果[8]。通过归一化坐标并调制坐标值，可以实现每个坐标点的水印嵌入，从而大幅提高矢量地理数据可承载的水印容量[9]。聚类的方法能将水印嵌入至不同空间特征的矢量要素中，增加水印的冗余性[10-11]。从坐标自身性质的角度，基于坐标映射建立的水印同步机制能够有效地抵抗裁剪、删除等攻击[12]，进一步增强了水印的均匀分布性。
几何攻击对矢量数据的坐标修改幅度较大，只考虑增删攻击的水印方法难以抵抗此类攻击。为此，研究对于旋转、平移和缩放等变换具有不变性的函数或者将水印信息嵌入矢量地理数据的几何不变量中，能够使水印算法有效抵抗多种几何攻击与复合攻击[13-14]。投影变换作为地理数据特有的变换方式，对数据的攻击程度远大于普通的旋转、平移和缩放攻击，利用拓扑关系构建网格，能够在一定程度上实现对投影变换攻击的抵抗[15]；利用属性信息，根据二元三次多项式进行同名点匹配，使待检测的数据变换回原始数据，同样实现了对投影变换攻击的抵抗[16]。
1.1.2 基于变换域的矢量地理数据数字水印算法空间域矢量地理数据水印算法由于对坐标直接进行操作，抗差性普遍欠佳，因而抗差性更强的变换域水印算法的研究更为广泛。变换域水印算法主要是利用数学变换将矢量地理数据坐标由空域转换为变换域中，将水印信息嵌入至特定的变换域系数中，再逆变换回空间域生成含水印的矢量地理数据，检测时只需在变换域中检测即可。相比于空间域矢量地理数据水印算法，变换域水印算法将水印信息非显性的嵌入至数据中，水印能够更好地均匀分布在数据中，抗差性会得到进一步的提升。
离散余弦变换(DCT)能够很好地将能量集中在低频区域。利用DCT的能量压缩与去相关性能，基于DCT的矢量地理数据水印算法得到了研究[17]。运用最小封闭矩形对数据进行网格化处理，将水印嵌入至中频系数中，理论上能较好地抵抗各类攻击[18]，但是最小封闭矩形在遭受几何攻击后具有不确定性。结合Waston感知模型，在DCT域的低频系数嵌入水印，能更好地顾及矢量数据的精度和水印的不可感知性[19]。此外，离散小波变换(DWT)作为常见的一种变换方式，基于DWT域的水印算法同样取得了一定的研究成果[20-21]，水印算法的抗差性得到了保证。
离散傅里叶变换(DFT)作为较早提出的变换方法，由于其具有的几何不变性，在矢量地理数据水印算法中得到了较多使用。在DFT的幅度和相位中嵌入水印信息，能够保持算法对旋转、平移、缩放等攻击的抵抗能力[22-23]。同时在DFT中实行量化机制，能更好地满足盲检测的特性，并增强算法的抗差性[24]。但是，变换域系数的直接修改难以满足数据的精度要求，因此对DFT系数进行放大并通过计算可选择较优的量化步长大小，能够提高水印算法的精度和不可感知性[25]。
矢量地理数据水印算法是地理数据水印研究中的重要和难点，目前的研究成果较为丰富。但是，对于抗几何攻击和复合攻击、小数据量水印、多重水印、多级水印等方面还有许多待解决的问题，仍然需要深入研究。
1.2 栅格地理数据数字水印算法栅格数据在存储方式与表现形式上与普通图像数据具有相似性，因而对于栅格地理数据水印算法的研究在一定程度上可以借鉴普通图像的水印算法。然而栅格地理数据在量测、精度与空间分析等方面又具有自身的特性与应用需求，使得栅格地理数据的水印算法设计需要考虑栅格地理数据自身特性，不能照搬普通图像水印算法。按照数据类型的不同，栅格地理数据的数字水印算法研究可分为遥感影像数字水印算法和栅格地图数字水印算法。
1.2.1 遥感影像数字水印算法遥感影像具有数据量大、纹理丰富、多波段等特点，因此在研究遥感影像的数字水印算法时，需要充分考虑遥感影像的数据特征。考虑到抗差性的需求，目前遥感影像的水印算法主要为变换域算法。基于DWT的遥感影像水印算法研究表明，嵌入水印强度经过适当控制，能够减少对遥感影像分类结果的影响[26]，并与同样嵌入法则的DFT域水印算法相比，分类结果更优[27]。基于DCT的遥感影像水印算法也得到了研究，结合遥感图像内容进行水印的自适应嵌入，水印的不可感知性和抗差性均具有较好的表现[28]。基于DWT变换，通过将水印信息嵌入重要感知系数，能进一步提升水印的不可见性[29-30]。在水印嵌入和检测时，将利用密钥对水印信息进行加密或者解密，能够有效增强水印算法的安全性[31-32]。为避免水印对遥感影像的影响过大，在水印嵌入过程中建立精度约束机制，能够很好地保证遥感影像嵌入水印后的精度[33]。
与矢量地理数据类似，遥感影像也面临着各类几何攻击。基于水印分割、Harris-Laplace特征区域等的方法能够提高水印算法对几何攻击的抗差性[34-36]。瓦片遥感影像作为一种特殊尺寸的影响，还面临着拼接攻击。通过建立基于黄金分割法搜索定位机制，在水印检测时搜寻定位块，能使瓦片遥感影像水印算法增强对拼接攻击的抗差性[37]。水印信息容量作为水印算法的重要指标之一，将二维码作为水印信息嵌入载体数据，能够有效提升遥感影像的水印容量，并增强算法对剪切、噪声等攻击的抗差性[38]。
1.2.2 栅格地图数字水印算法栅格地图的组织方式与遥感影像相同，但是在图像内容上存在着差异，其着色机制具有规范性，像素灰度值高，地物边界像素变化较大[39]。DCT变换具有较好的能量集中特性，因此基于DCT域，利用栅格地图比普通图像亮度高且直流分量变化大的数据特性，将水印嵌入到数据DCT变换后的低频、中频和高频系数[40]，增加了水印算法抵抗对比度亮度调节攻击的能力，但是非盲水印的特性限制了此方法的应用范围。此外，基于DWT和DFT的水印算法也得到了研究[41]，通过对栅格地图的分块处理，将水印信息嵌入各分块DFT变换域的半圆形区域，提升了算法运行的效率[42]。对于分块处理，结合人类视觉系统(HVS)评价不同的分块方式，能够发现最优分块方式从而进一步增强水印算法的抗差性[43]。在分块基础上构建映射函数构建水印同步机制，将水印信息通过量化规则嵌入DFT系数中，并在嵌入过程中建立误差控制机制，从而既保证了数据质量，又提高了水印算法对常规攻击、几何攻击以及复合攻击的抗差性[44]。经典的栅格地图数字水印算法并不能很好地抵抗打印扫描攻击，对于瓦片栅格地图，基于DWT域的水印算法能充分考虑到瓦片地图特征[45]。另外，面向多重安全保护需求，脆弱水印能够验证栅格地图的完整性[46]，并且将抗差水印和脆弱水印同时嵌入DWT系数中，既能实现栅格地图的完整性认证，又能鉴定数据的版权信息[47]。基于字节流的水印嵌入和分块，可以实现栅格地图的加密和版权保护的复合功能[48]。面对可视化的版权信息鉴定需求，结合HVS特征和地图数据特性，将预处理后的可见水印自适应地嵌入数据小波系数中，能够保持可见水印的视觉特征，以显性的方式保护了数据版权[49]。
总体而言，栅格地理数据数字水印算法能够在一定程度上满足安全保护的需要，但是实际应用中的效率、算法适用性、抗强压缩性等问题有待进一步的研究。
1.3 DEM数字水印算法DEM是地形表面形态的数字化表示，有着数据精度要求高、组织方式多样、空间特性强的特点。从DEM的数据组织方式的角度，DEM可分为规则格网DEM和不规则三角网DEM，因此DEM的数字水印算法同样可分为规则格网DEM数字水印算法和不规则三角网数字水印算法。
1.3.1 规则格网DEM数字水印算法规则格网DEM将地形曲面划分为规则格网单元，虽然存储方式接近栅格数据，但是“近无损”是DEM水印区别于普通图像数字水印的主要特征，以图像视觉质量为评价标准的水印算法不能充分满足DEM的精度和应用需求[50]。与遥感影像的数字水印技术类似，基于DEM的变换域，运用HVS以及Watson视觉模型进行自适应的水印嵌入，能够达到近无损的要求，保证了DEM数据的地形特征和可用性[51-52]。通过修改DEM的广义直方图实现可逆水印的嵌入，能够实现水印的盲检测以及DEM的无损恢复，大幅提高了水印信息容量[53]，但是对于DEM可能遭受的攻击，抗差性有待提高。从DEM的地形特征角度出发，对DEM相对平缓地形进行水印嵌入并控制水印嵌入强度，能够优化水印嵌入的不可感知性[54]。为了保证DEM在嵌入水印后不影响其空间分析的功能，通过分析坡度坡向计算模型，推导出坡度坡向精度与水印嵌入强度的数学关系，在满足精度要求的前提下，最大化水印嵌入强度，能够增强水印的抗攻击性[55]。利用DEM相邻格网高程差值的平移不变性，将扩频水印嵌入高程差值，并分摊扩张差值到相邻高程，较好保持了DEM数据精度，且对高程平移和裁剪攻击具有良好的抗差性[56]。基于无损可逆水印的研究，能够保证DEM提取水印后的完整性和准确性，具有实用意义[57]。面对多层次的安全保护需求，将抗差性水印和脆弱水印有机结合地嵌入DEM中，同时实现版权保护和完整性认证，能够从技术上解决了数据分发管理中数据篡改的责任认定问题[58-59]。
1.3.2 不规则三角网DEM数字水印算法不规则三角网DEM将不规则分布的数据点按一定规律连接起来构成连续三角面以逼近地形表面，对于此类数据的数字水印算法研究较少。但是考虑到其数据的组织方式接近三维矢量模型，因而可以借鉴部分三维矢量模型的水印算法的思想对不规则三角网DEM进行水印嵌入[60]，但是三维矢量模型的水印算法难以保证DEM的精度，影响水印算法的实用性。从不规则三角网DEM数据自身的特性出发，通过三角网的拓扑约束关系选择能够嵌入水印的顶点，保证了DEM的精度，避免水印对三角网拓扑关系的影响[61]，映射机制的建立更能保证水印的同步性[62]。针对顶点方向、距离等要素，对于常见攻击建立评价模型，能够减小水印对精度的影响[63]。基于水印嵌入单元，利用具有几何不变性的NIELSON范数嵌入水印，使水印算法能够抵抗增删攻击、几何变换攻击和拼接攻击等，抗差性得到了进一步的提升[64-65]。通过遍历选择标记的三角面，在球面坐标系中嵌入脆弱水印，能够实现不规则三角网DEM的完整性认证，并对几何攻击具有抗差性[66]。
不论是规则格网DEM还是不规则三角网DEM，其安全保护的需求越来越多样化，进一步提升算法抗差性，将不同功能的水印相结合，是目前DEM水印算法研究中的重点。
2 地理数据加密控制技术研究进展地理数据的加密控制技术需要结合地理数据、操作系统、软件平台在计算机底层对地理数据访问权限进行管理，防止用户对非授权访问地理数据的越权读取、篡改、窃取和滥用。与数字水印在安全事件事后发挥作用相比，加密控制能够事先预防数据的侵权、盗版、泄密等行为，安全力度和保护措施更严格，需要消耗更多的资源和性能，对数据的软硬件环境要求更为苛刻。
加密控制在地理数据的安全保护中已有一些研究。对于地理数据的加密控制，主要从粒度控制、角色授权、数据空间特征、控制策略等方面展开具体的模型和算法研究。基于角色的访问控制(RBAC)理论，通过定义用户的角色、角色授权，以图层及图元为粒度实现控制，满足了不同角色的业务分级、职责分担而产生的复杂权限控制要求[67-68]。进一步的，RBAC相关理论可以嵌套在GIS软件中形成自有的权限控制功能[68-69]。多层级的RBAC模型设计，能够提供更细粒度的访问控制功能[70]。在此基础上，引入动态化、传播化、可度量的信任特性和信任函数，能够满足RBAC模型对分布式系统的适应性[71]。
地理数据的访问控制研究需要更多地考虑其空间特征。在用户和角色权限基础上，通过空间约束和访问条件，从而实现细粒度的地理数据加密控制模型[72-73]。结合地理数据的多尺度与属性特征，通过扩展元属性与引入加解密机制，基于属性的访问控制模型能够支持多种粒度的访问控制，具有灵活性与可扩展性[74]。多粒度的时空相关访问控制模型在RBAC模型基础上引入上下文要素和空间约束关系，能够提供基于地图粒度、图层粒度、地物粒度和地物视图粒度的多粒度空间数据访问模型[75]。数字水印提供的版权鉴定功能，能够有机的与访问控制结合，实现服务访问与数据获取的分级控制，有效保护地理信息服务过程中的数据安全[76]。综合考虑了角色、行为、视图和上下文属性的访问控制模型，给予了地理数据的管理、访问、属性等具体的、准确的、无歧义的表述[77]。针对涉密数据主机的外部端口控制问题，建立了包含安全策略、控制、审计和报警的安全模型，依据生成的访问控制矩阵来阻止地理数据的非法泄密[78]。对于时间权限管理、用户权限管理等要求较高的环境，通过文件系统过滤驱动及透明加密技术，实时地进行数据动态加解密和权限判断[79]，并利用数字水印技术进行数据版权的高效稳定检测[80]，从而实现贯彻地理数据生命周期的安全管理。
目前，地理数据加密控制的研究大多借鉴计算机科学已有理论，并结合地理数据的空间特征、部署环境和敏感性开展研究，理论方面成果相对较多，能够应用于实际方面的成果还较少。
3 应用现状地理数据数字水印技术和加密控制技术作为事后追究和事先防范的代表性技术，在地理数据安全保护中各具特色，可以互为补充、结合使用，为地理数据构建立体的安全保护体系。近年来，地理数据数字水印技术和加密控制技术研究取得了许多理论成果，而这些理论成果的最终目的是能够实际应用于地理数据的安全保护。目前，随着地理数据应用和共享的广泛展开，地理数据数字水印技术和加密控制技术的应用需求十分迫切，将理论研究成果转化，研发和应用具有实用性、可靠性和安全性的地理数据数字水印和加密控制软件系统同样十分迫切。
与理论研究常常侧重于技术的某一点不同，实用的地理数据数字水印和加密控制软件系统需要统筹兼顾数据量、拓扑关系、精度、水印信息容量、抗差性、效率、可用性、可靠性、保密性、安全性等特征，这些特征相互制约、缺一不可。因此，研究实用的地理数据数字水印和加密控制软件系统不仅需要坚实、系统的理论研究基础，还需要结合实际需求和应用展开统筹研发。
2000年以来，国内相关部门和单位展开了地理数据数字水印和加密控制软件系统的研制与应用，其中包括南京师范大学、信息工程大学、北京市测绘设计研究院、中国测绘科学研究院、大连舰艇学院、西安测绘研究所等单位，其中北京市测绘设计研究院研发的地理数据数字水印软件系统于2003年由国家测绘局下发至各省级测绘部门，在一定时期内对地理数据安全发挥了重要作用。南京师范大学于2008年开始研发的“吉印”地理数据数字水印和加密控制软件系统，基于严密、系统和深入的理论研究成果，日臻成熟，已广泛应用于多家国家级和省级的测绘、规划、国土、公安、林业、水利、交通等部门。
在实际应用方面，基于对地理数据安全重要性的认识，国家和军队的许多部门都应用地理数据数字水印和加密控制软件系统保护自身数据的安全，其中包括国家基础地理信息中心、国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心、国家“天地图”主节点、全国地质资料馆、20余省级测绘地理信息中心以及许多市、县级地理数据管理部门。附着落实《中华人民共和国测绘法》提出的“测绘成果保管单位应当采取措施保障测绘成果的完整和安全”、“实行可追溯管理”的现势要求，地理数据数字水印和加密控制软件系统将会在更大范围内使用，将为地理数据分发、管理、流转、共享等提供可靠的安全保障，保证地理信息行业的健康、有序、快速发展。
4 研究展望随着目前大数据、云计算、人工智能等信息技术的发展，地理数据的安全保护需求也愈发趋向多元化、多层次，数字水印和加密控制的研究面临越来越多的要求和挑战，传统的基于单机环境、局域网环境的安全保护方案难以满足多层次复杂化的需求。目前，对于地理数据的安全保护，未来可从以下几个方面展开研究。
4.1 地理数据的安全语义和安全规则研究基于地理数据的本质内容和空间特征，从地理数据的安全角度出发，构建包含数字水印、加密解密、访问控制、密钥、可信计算等安全内容在内的地理数据安全基本模型，结合应用环境推定安全语义和安全规则，突出空间位置和特征的要素关系，实现从定性到定量的安全实施方案探索，从抽象的角度建立具有普适性的安全实施方法论，对于地理数据的安全研究具有重要的启示意义。
4.2 地理数据数字水印和加密控制模型的深入研究地理数据数字水印和加密控制技术已取得了许多研究成果，但随着研究和应用的深入，新的问题接踵而来。从理论上讲，提高模型的抗差性、效率等还有许多难题需要解决；抗差水印的研究较多，而脆弱水印的研究还较少；基于特征的第2代地理数据数字水印技术尚处于初步阶段，加密控制的规则、策略、模型等还需要深入研究。从应用上讲，针对多级分发的多级水印、多版权保护的多重水印等是目前研究的重点，加密控制算法的稳定性、效率及与应用的结合等还需要深入研究，不断完善地理数据数字水印和加密控制软件系统更是一个长期的工作。
4.3 大数据环境下的地理数据安全保护技术研究大数据的环境不仅表征着数据量的大小，更代表着地理大数据的数据形态多样、数据源复杂、数据质量不确定、数据格式不统一等特性，需要研究能够适用于大数据环境下的数字水印和加密控制技术。MapReduce作为经典的大数据处理模型[81]，能够为大数据环境下数字水印的生成、嵌入和提取提供方法。针对不同空间位置和几何信息的多重粒度访问控制也为大数据环境下的地理空间访问控制提供了解决问题的契机，但是如何具体地实施此类安全保护方案，并在大数据环境中顾及效率需求、能耗需求和适用环境需求，是需要深入开展研究的科学问题。
4.4 云环境下的地理数据安全保护方法研究公有云、私有云的出现，给数据的访问、管理、操控等带来方便的同时，也带来了相当的安全隐患。地理数据具有高度的敏感性，公有云的存储需要解决数据访问过程和传输过程中的安全通信、加密链接等问题，访问控制的数据管理范围也从局域网扩展到云端和本地端，如何更好地确定数据安全管理范围，是访问控制需要解决的迫切问题。利用数字水印实现地理数据的版本管理、授权认证、完整性认证，为云环境的安全保护提供了可靠的解决途径。
4.5 网络分发中的地理数据安全保护研究结合数字水印技术更适合于版权追踪、加密控制技术更适合于权限控制的特性，在网络分发和传输中两者的综合应用将更好服务于地理数据安全保护，从数据分发前到数据使用后，在数据流转的整个生命周期内同时使用数字水印技术和加密控制技术，将地理数据的安全性提升到新的高度。如何使数字水印技术和加密控制技术有机结合，避免其相互影响、相互覆盖，从而动态生成地理数据的数字水印，实现基于空间属性的动态访问控制策略，也是网络地理数据分发中需要进一步研究的问题。
5 结束语随着地理数据应用价值的日益凸显、地理数据共享需求的日益旺盛，地理数据的安全问题变得愈发不容忽视。数字水印和加密控制作为地理数据安全保护方面的前沿技术，在地理数据安全保护中扮演着重要的、不可替代的角色。面对大数据时代的地理数据，只有深刻分析地理数据安全特征，不断深入挖掘与研究数据安全的关键理论，紧跟信息技术的前沿思想和潮流，结合实际推动技术手段的应用、扩展、融合与完善，才能真正发挥数字水印和加密控制对于地理数据的安全保护作用，实现地理数据的安全共享与交换。
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