基于地形特征的三维地理PDF地图零水印方法及系统

技术领域

本发明涉及地理信息安全技术领域，尤其涉及一种基于地形特征的三维地理PDF地图零水印方法及系统。

背景技术

三维地理PDF地图是基于三维地理信息模型，利用PDF文档格式存储三维地理信息，以三维电子地图形式表达地理环境或地理场景的一种新型地图产品。相较于传统三维电子地图，三维地理PDF地图具有显示清晰、分发便捷、压缩率高、数据量小、交互方便、支持空间分析等优点，具有广泛的应用前景。但同时，三维地理PDF地图在生产、交换、分发和使用过程中的数据安全问题日益突出，如何对三维地理PDF地图进行有效的版权保护是地理信息安全领域急需解决的问题。

数字水印为信息安全领域的重要技术，应用数字水印技术可以有效地解决地理信息数据版权保护问题。传统的数字水印需要将水印信息与原始数据相结合，即将水印信息隐藏到原始数据中，由于水印与原始数据的结合会对原始数据进行修改，且难以同时确保水印的鲁棒性与不可见性。零水印通过提取原始数据的隐含特征并与水印信息相融合生成，由于不将水印嵌入至原始数据确保了原始数据的完整性和完备性，但针对三维地理PDF地图的零水印技术并不成熟。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于地形特征的三维地理PDF地图零水印方法，包括以下步骤：

S1：通过解析三维地理PDF地图，获得地图数据，通过地图数据生成DEM数据；

S2：通过TfaSR模型对DEM数据进行地形特征提取和数据精度提高，获得优化的DEM数据；

S3：获取三维地理PDF地图的原始水印，对优化的DEM数据进行二维经验模式分解，获得余量矩阵；

S4：对余量矩阵进行奇异值分解，构造出与原始水印大小相同的二值奇异值特征矩阵，将二值奇异值特征矩阵作为三维地理PDF地图的二值特征图像；

S5：对原始水印采用Arnold变换进行置乱加密，获得加密后的水印；对二值特征图像和加密后的水印进行异或处理，获得零水印图像；

S6：通过零水印图像对待检测三维地理PDF地图进行水印检测。

优选的，所述三维地理PDF地图基于三维地理信息模型构建，利用PDF文档格式进行存储。

优选的，所述地图数据包括：地形格网点坐标数据、高程数据、法向量数据和纹理数据。

优选的，所述TfaSR模型集成了深度残差模块和可变卷积模块，用于提取深度和自适应的生成地形特征。

优选的，步骤S3中所述二维经验模式分解的计算公式为：

其中，f为优化的DEM数据，IMF

优选的，步骤S4中所述对余量矩阵进行奇异值分解的计算公式为：

其中，Data为一个m×n阶子矩阵，U为m×m阶的酉矩阵，∑为半正定m×n阶对角矩阵，V为n×n阶的酉矩阵。

优选的，步骤S5中所述对原始水印采用Arnold变换进行置乱加密，获得加密后的水印的计算公式为：

其中，N为原始水印的边长大小，x和y为Arnold变换前原始水印的像素点坐标，x′和y′为变换后加密后的水印的像素点坐标，mod为取模运算。

优选的，步骤S6具体为：

S61：获取待检测三维地理PDF地图的待检测二值特征图像，将零水印图像与待检测二值特征图像进行异或，获得待检测加密后的水印；

S62：将待检测加密后的水印通过Arnold逆变换获得待检测原始水印，通过待检测原始水印进行水印检测。

优选的，步骤S62中所述将待检测加密后的水印通过Arnold逆变换获得待检测原始水印的计算公式为：

其中，N为待检测加密后的水印边长大小，x和y为加密后的水印的像素点坐标，x′和y′为逆变换后待检测原始水印的像素点坐标，mod为取模运算。

一种基于地形特征的三维地理PDF地图零水印系统，包括以下模块：

三维地理PDF地图解析模块，用于通过解析三维地理PDF地图，获得地图数据，通过地图数据生成DEM数据；

TfaSR模型处理模块，用于通过TfaSR模型对DEM数据进行地形特征提取和数据精度提高，获得优化的DEM数据；

余量矩阵计算模块，用于获取三维地理PDF地图的原始水印，对优化的DEM数据进行二维经验模式分解，获得余量矩阵；

二值特征图像计算模块，用于对余量矩阵进行奇异值分解，构造出与原始水印大小相同的二值奇异值特征矩阵，将二值奇异值特征矩阵作为三维地理PDF地图的二值特征图像；

零水印图像获取模块，用于对原始水印采用Arnold变换进行置乱加密，获得加密后的水印；对二值特征图像和加密后的水印进行异或处理，获得零水印图像；

零水印检测模块，用于通过零水印图像对待检测三维地理PDF地图进行水印检测。

本发明具有以下有益效果：

1、通过TfaSR模型对DEM数据进行特征提取和优化，使得优化的DEM数据可以更好地表征地理信息；

2、通过针对三维地理PDF地图构建的零水印不会对原始数据进行修改，可以进行单独的存储，很好地确保原始数据的完整性和完备性。

附图说明

图1为本发明实施例方法流程图；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，本发明提供一种基于地形特征的三维地理PDF地图零水印方法，包括以下步骤：

S1：通过解析三维地理PDF地图，获得地图数据，通过地图数据生成DEM数据；

S2：通过TfaSR模型对DEM数据进行地形特征提取和数据精度提高，获得优化的DEM数据；

S3：获取三维地理PDF地图的原始水印，对优化的DEM数据进行二维经验模式分解，获得余量矩阵；

S4：对余量矩阵进行奇异值分解，构造出与原始水印大小相同的二值奇异值特征矩阵，将二值奇异值特征矩阵作为三维地理PDF地图的二值特征图像；

S5：对原始水印采用Arnold变换进行置乱加密，获得加密后的水印；对二值特征图像和加密后的水印进行异或处理，获得零水印图像；

S6：通过零水印图像对待检测三维地理PDF地图进行水印检测。

本实施例中，所述三维地理PDF地图基于三维地理信息模型构建，利用PDF文档格式进行存储。

本实施例中，所述地图数据包括：地形格网点坐标数据、高程数据、法向量数据和纹理数据。

本实施例中，所述TfaSR模型集成了深度残差模块和可变卷积模块，用于提取深度和自适应的生成地形特征。

具体的，TfaSR模型全称为地形特征超分模型(Terrain feature-awaresuperresolution，TfaSR)，地形特征超分模型主要包括：深度残差模块和可变卷积模块；

1.深度残差模块。深度残差模块用以提取高程分布模式的深层特征，模型中使用了16个残差块。输入一个DEM数据，首先使用最邻近插值法处理DEM数据，然后使用一层卷积(通道数为64，卷积核大小为9,步长为1)进行地形特征提取，并将提取到的特征输送到残差模块。每个残差块有五层，包括两个卷积层(通道数为64，核大小为3,步长为1)，两个批归一化层(BN)和一个修正线性单元(ReLU)。卷积层用于提取地形特征，BN层用于减少极端高程的影响，ReLU用于提高网络性能的稳定性和非线性。

2.可变卷积模块。通过可变形卷积提取DEM数据地形特征，该模块为五层，包括三个可变卷积层和两个ReLU层，用以实现精度和效率的平衡。三个可变形卷积层的卷积核大小设为3×3，前两层有64个通道，最后一层将64个通道转换为1个通道。该模块的输入为之前残差模块提取的特征图，这个数据流旨在更好地利用这些深层特征。在自适应地形特征提取之后，设计1×1核大小的卷积层，从最终的DEM数据中恢复提取的地形特征。

本实施例中，对优化后的DEM数据进行二维经验模式分解(BidimensionalEmpirical Mode Decomposition，BEMD)，BEMD分解后的余量矩阵代表原始图像的整体信息，通过BEMD分解可以提高零水印算法的鲁棒性；

步骤S3中所述二维经验模式分解的计算公式为：

其中，f为优化的DEM数据，IMF

具体的，EMD算法对任何复杂的数据都可以分解为若干个内蕴模态函数(intrinsic mode function,IMF)加余量r(I),故EMD算法被广泛应用于非线性、非平稳信号中；BEMD算法结合了EMD算法的优点，并将EMD算法扩展到二维图像中，BEMD的具体算法过程如下：

1.输入待分解图像，计算出图像的局部极值点；

2.利用第1步中的局部极值点拟合出极大值包络面和极小值包络面，通过两包络面计算出均值包络曲面；

3.利用待分解图像数据减去第2步中的均值包络面得到新的图像记作I′；

4.判断图像I′是否满足终止条件SD<σ，其中σ为设定的阈值，SD为方差，SD的公式如下:

″′

其中I

本实施例中，将余量矩阵根据原始水印大小平均分为数量不重叠的子块矩阵，每一个子块矩阵都对应原始水印的一个像素，对每个子块矩阵进行奇异值分解；

步骤S4中所述对余量矩阵进行奇异值分解的计算公式为：

其中，Data为一个m×n阶子矩阵，U为m×m阶的酉矩阵，∑为半正定m×n阶对角矩阵，V为n×n阶的酉矩阵。

具体的，构造出与原始水印大小相同的二值奇异值特征矩阵的流程为：

首先取出每个子块矩阵经过奇异值分解后的最大奇异值，计算所有子块矩阵最大奇异值的平均值，设阈值的大小为所有奇异值的平均值，比较每个子块矩阵的最大奇异值与阈值大小关系，如果子块矩阵最大奇异值大于阈值则该子块对应像素值取1，否则取0，这样就构造出一个以原始水印大小相同的二值奇异值特征矩阵，该矩阵即作为三维地理PDF地图的二值特征图像。

本实施例中，三维地理PDF地图的原始水印的生成过程如下：

交易信息由交易双方对三维地理PDF地图交易结束时产生，包括版权归属、交易时间、交易内容与金额等，然后将文本类型的交易信息转变为QR码形式，并将QR码图像转化为单通道二值图像即为原始水印；

步骤S5中所述对原始水印采用Arnold变换进行置乱加密，获得加密后的水印的计算公式为：

其中，N为原始水印的边长大小，x和y为Arnold变换前原始水印的像素点坐标，x′和y′为变换后加密后的水印的像素点坐标，mod为取模运算，mod用于防止像素点变换到图像外。

具体的，Arnold即通过迭代运算改变原始水印空间像素点，变换后原始水印各个像素点的位置将重新排列，从而达到对原始水印加密的目的。通过对原始水印进行Arnold变换后形成的新的图像即为置乱加密后的水印，并记录Arnold变换的迭代次数作为解密的密钥。

对二值特征图像和加密后的水印进行异或处理，获得零水印图像，具体流程为：

记三维地理PDF地图的二值特征图像为I，加密后的水印为M；将二值特征图像I与加密后的水印M进行异或运算即可得到零水印图像W，异或运算为:

其中

本实施例中，将零水印图像储存至可信第三方进行保存，当需要进行水印检测时从可信第三方取出零水印图像进行水印检测，如步骤S6所示；

步骤S6具体为：

S61：获取待检测三维地理PDF地图的待检测二值特征图像，将零水印图像与待检测二值特征图像进行异或，获得待检测加密后的水印；

S62：将待检测加密后的水印通过Arnold逆变换获得待检测原始水印，通过待检测原始水印进行水印检测。

具体的，水印检测的过程为：

查看是否能识别待检测原始水印中的交易信息，如果无法识别，则说明待检测三维地理PDF地图与地图生产方没有版权关系，如果可以识别出QR码内容，则可以根据识别出来的文本内容确定版权归属等问题。

本实施例中，将待检测加密后的水印进行逆变换恢复处理，Arnold逆变换为周期变换，水印越大时循环周期T越长，当逆变换次数达到T-n时可以复原水印；

n为加密置乱的次数，但由于只通过正向公式进行加密解密运算量太大，故解密过程通过逆向置乱及置乱矩阵的逆矩阵公式进行；获取加密的密钥即Arnold变换迭代次数后，可以通过Arnold逆变换恢复待检测原始水印，并通过扫码获取交易信息详情；

步骤S62中所述将待检测加密后的水印通过Arnold逆变换获得待检测原始水印的计算公式为：

其中，N为待检测加密后的水印边长大小，x和y为加密后的水印的像素点坐标，x′和y′为逆变换后待检测原始水印的像素点坐标，mod为取模运算。

本发明提供一种基于地形特征的三维地理PDF地图零水印系统，包括以下模块：

三维地理PDF地图解析模块，用于通过解析三维地理PDF地图，获得地图数据，通过地图数据生成DEM数据；

TfaSR模型处理模块，用于通过TfaSR模型对DEM数据进行地形特征提取和数据精度提高，获得优化的DEM数据；

余量矩阵计算模块，用于获取三维地理PDF地图的原始水印，对优化的DEM数据进行二维经验模式分解，获得余量矩阵；

二值特征图像计算模块，用于对余量矩阵进行奇异值分解，构造出与原始水印大小相同的二值奇异值特征矩阵，将二值奇异值特征矩阵作为三维地理PDF地图的二值特征图像；

零水印图像获取模块，用于对原始水印采用Arnold变换进行置乱加密，获得加密后的水印；对二值特征图像和加密后的水印进行异或处理，获得零水印图像；

零水印检测模块，用于通过零水印图像对待检测三维地理PDF地图进行水印检测。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。词语第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些词语解释为标识。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。