[发明专利]一种GIS矢量数据可逆脱密方法

摘要

本发明公开了一种GIS矢量数据可逆脱密方法，属于地理信息安全领域。该方法包括如下过程：（1）密钥生成过程，包括确定数据范围、确定数据变换量、计算线性变换量引起的中误差并确定参数、计算非线性变换量引起的中误差并确定参数、用非对称加密算法RSA对密钥Key进行加密并存入密钥文件；（2）脱密过程，包括读取密钥文件，解密并提取密钥；打开原始矢量数据；获取要素点坐标集合；坐标归一化；循环处理；（3）恢复过程。本发明的方法具有随机性、渐变性、可逆性等特点，提高了GIS矢量数据脱密的可靠性，完善了地理信息安全保护的理论与方法体系，可用于GIS矢量数据的公开发布等方面。

主权项

1.一种GIS矢量数据可逆脱密方法，其特征在于，包括如下过程：(一)密钥生成过程步骤11，确定数据范围：获取原始矢量数据V的最小外接矩形R，R左下角坐标为(x_min，y_min)，右上角坐标为(x_max，y_max)，根据公式(1)得数据中心点坐标(x_mid，y_mid)、数据长度XL和数据宽度YL；xmid=(xmin+xmax)/2ymid=(ymin+ymax)/2XL=xmax-xminYL=ymax-ymin---(1)]]>步骤12，确定数据变换量：具体步骤如下：输入数据总体变换量offset，offset＞0，非线性变换量nonlinear，0＜nonlinear＜＝offset，根据公式(2)得到线性变换量linear；linear=offset2-nonlinear2---(2)]]>步骤13，计算线性变换量linear引起的中误差，确定影响变换效果的参数：焦距f、航高H、偏角倾角ω、旋角κ，具体步骤如下：a)焦距f∈(0，1)，b)根据公式(3)计算航高H，H=XL*YL/f---(3)]]>c)根据公式(4)计算线性变化量linear的扰动范围linearExtent，linearExtent=linear---(4)]]>d)生成控制点集合，具体步骤如下：在最小外接矩形R范围内生成m*n个均匀控制点组成源控制点集合FromPoints＝{(Fx_i，Fy_i)|i＝1，2，...m*n}，m*n＞＝6；根据公式(5)计算每个目标控制点坐标(Tx_i，Ty_i)组成目标控制点集合ToPoints＝{(Tx_i，Ty_i)|i＝1，2，...m*n}，Txi=Fxi+dir1×linear+random1×linearExtentTyi=Fyi+dir2×linear+random2×linearExtent---(5)]]>其中：方向参数dir₁在[0.0，1.0]范围内，方向参数控制点扰动参数random₁和random₂在[-1.0，1.0]范围内随机选取，e)坐标归一化，根据公式(6)对源控制点集合FromPoints和目标控制点集合ToPoints进行归一化处理得到新坐标集合FromPoints’＝{(Fx_i’，Fy_i’)|i＝1，2，...m*n}，ToPoints’＝{(Tx_i’，Ty_i’)|i＝1，2，...m*n}，Fxi′=(Fxi-xmid)*f/HFyi′=(Fyi-ymid)*f/HTxi′=(Txi-xmid)*f/HTyi′=(Tyi-ymid)*f/H---(6)]]>f)计算偏角倾角ω、旋角κ，根据公式(7)利用最小二乘法对FromPoints’中源控制点和ToPoints’中目标控制点进行拟合解算得到偏角倾角ω、旋角κ，g)计算线性变换中误差accuracy₁，具体步骤如下：根据公式(8)转换源控制点集合FromPoints’坐标得到目标控制点集合ToPoints”＝{(Tx_i”，Ty_i”)|i＝1，2，...m*n}，根据公式(9)计算中误差accuracy₁，accuracy1=Σ((Txi′′-Fxi)2+(Tyi′′-Fyi)2)/(m*n)---(9)]]>h)调节目标控制点集合，具体步骤如下：如果|linear/accuracy₁-1|＞0.01，则根据公式(10)调节每个原目标控制点坐标(Tx_i，Ty_i)，得到新的目标控制点坐标(NTx_i，NTy_i)，用新的目标控制点替代原目标控制点即Tx_i＝NTx_i、Ty_i＝NTy_i，得到目标控制点集合ToPoints＝{(Tx_i，Ty_i)|i＝1，2，...m*n}，NTxi=Fxi+(linear/accuracy1)(Txi-Fxi)NTyi=Fyi+(linear/accuracy1)(Tyi-Fyi)---(10)]]>i)循环步骤e)-h)直至|linear/accuracy₁-1|＜＝0.01，得到最终的偏角倾角ω、旋角κ；步骤14，计算非线性变换量nonlinear引起的中误差，确定参数j₀-j₅，具体步骤如下：a)生成控制点高程，利用公式(11)计算源控制点集合FromPoints每个点位移nonlinear所需的高程Fz_i，生成三维源控制点集合FromPoints＝{(Fx_i，Fy_i，Fz_i)|i＝1，2，...m*n}，Fzi=H*nonlinear/(xmid-Fxi)2+(ymid-Fyi)2---(11)]]>b)根据公式(12)对生成的三维源控制点集合FromPoints进行最小二乘解算，得到参数j₀-j₅，Fz_i＝j₀+j₁Fx_i+j₂Fy_i+j₃Fx_i²+j₄Fy_i²+j₅Fx_iFy_i    (12)c)计算非线性变换中误差accuracy₂，具体步骤如下：根据公式(12)和参数j₀-j₅解算每个源控制点的Fz_i值，保存到三维源控制点集合FromPoints中，根据公式(13)对三维源控制点集合FromPoints进行计算得到目标控制点集合ToPoints＝{(Tx_i，Ty_i)|i＝1，2，...m*n}，Txi=(-f(Fxi-xmid)/(Fzi-H))*H/f+xmidTyi=(-f(Fyi-ymid)/(Fzi-H))*H/f+ymid---(13)]]>根据公式(14)计算中误差accuracy₂，accuracy2=Σ((Txi-Fxi)2+(Tyi-Fyi)2)/(m*n)---(14)]]>d)调节源控制点高程值，如果|nonlinear/accuracy₂-1|＞0.01，则根据公式(15)调节每个源控制点坐标高程值，得到新的高程值NFz_i，用新高程值替代原高程值即Fz_i＝NFz_i，得到三维源控制点集合FromPoints＝{(Fx_i，Fy_i，Fz_i)|i＝1，2，...m*n}，NFzi∈(Fzi/2,(nonlinear/accuracy2)*Fzi)if(nonlinear/accuracy2>1)NFzi∈((nonlinear/accuracy2)*Fzi/2,Fzi)if(nonlinear/accuracy2<1)---(15)]]>e)循环步骤b)-d)，直至|nonlinear/accuracy₂-1|＜＝0.01，得到最终参数j₀-j₅；步骤15，焦距f、航高H、偏角倾角ω、旋角κ、数据中心点坐标(x_mid，y_mid)、参数j₀-j₅组成密钥Key，用非对称加密算法RSA对密钥Key进行加密并存入密钥文件Key.txt；(二)脱密过程步骤21，读取密钥文件Key.txt，解密后提取密钥Key，打开原始矢量数据V；步骤22，生成每个点高程值z_j，转换坐标，具体步骤如下：a)提取矢量数据V的要素点坐标，得到要素点坐标集合P＝{(x_j，y_j，z_j)|j＝1，2，...，k}，其中k为要素包含的点个数，b)根据密钥Key和公式(16)循环计算集合P中每一个点坐标p_j(x_j，y_j，z_j)的高程值z_j并保存到集合P中，z_j＝j₀+j₁x_j+j₂y_j+j₃x_j²+j₄y_j²+j₅x_jy_j    (16)c)根据公式(17)和密钥Key，对每个点坐标p_j(x_j，y_j，z_j)进行计算，得到点坐标集合P’＝{(x_j’，y_j’，z_j)|j＝1，2，...，k}；步骤23，坐标归一化，根据+密钥Key和公式(18)对每个点坐标p_j’(x_j’，y_j’，z_j)进行归一化处理得到脱密后点坐标集合P”＝{(x_j”，y_j”，z_j)|j＝1，2，...，k}；xj′′=xmid+xj′*H/fyj′′=ymid+yj′*H/f---(18)]]>步骤24，循环步骤22到23，直至每个要素处理完毕，保存脱密后的数据文件W；(三)恢复过程步骤31，读取密钥文件Key.txt，解密后提取密钥Key，打开脱密后的矢量数据W；步骤32，坐标归一化，具体步骤如下：a)提取矢量数据W的要素点坐标，得到坐标集合P”＝{(x_j”，y_j”，z_j)|j＝1，2，...，k}，b)根据密钥Key和公式(19)，对集合P”集合中每个点坐标p_j”(x_j”，y_j”，z_j)进行归一化处理生成点坐标集合P’＝{(x_j’，y_j’，z_j)|j＝1，2，...，k；xj′=(xj′′-xmid)*f/Hyj′=(yj′′-ymid)*f/H---(19)]]>步骤33，转换坐标，根据公式(20)和密钥Key对每个点坐标p_j’(x_j’，y_j’，z_j)进行计算，然后将高程值z_j置零，得到恢复后的点坐标p_j(x_j，y_j，0)，生成坐标集合P＝{(x_j，y_j，0)|j＝1，2，...，k}；步骤34，循环步骤32到33，直至每个要素处理完毕，保存恢复后的数据文件Q。