基于椭球空间映射的矢量地理数据可控脱密方法和系统技术方案

本发明专利技术旨在提出一种基于椭球空间映射的矢量地理数据可控脱密方法和系统

【技术实现步骤摘要】
基于椭球空间映射的矢量地理数据可控脱密方法和系统


[0001]本专利技术属于地理信息安全保护领域，具体涉及到矢量地理数据的脱密方法
。

技术介绍

[0002]矢量地理数据具有数据量大
、
定位精度高和涉密类型多等特点，一旦泄露则对国家安全和利益造成严重危害
。
为保证地理信息数据能够合法
、
合规地使用，依据
《
中华人民共和国测绘法
》
和
《
地理信息保密处理技术研发和服务的通知
》(22
号通知
)
，需要对矢量地理数据进行脱密处理，以满足矢量地理数据安全共享和使用需求
。
[0003]当前主要采用几何位置精度脱密的方法来降低矢量地理数据的位置精度，将地理数据转变为可公开使用的数据，从而达到保护矢量地理数据和实现数据安全共享的目的
。
矢量地理数据脱密要满足四个方面的需求：第一，安全性需求
。
安全性是脱密方法首先考虑的因素
。
脱密方法需要不可逆，攻击者无法通过脱密数据来校正恢复出原始数据，才能保证真实位置坐标不被泄露；其次，精度可控性需求
。
脱密方法需要具有精度的可控性，以适应不同应用场景对精度的不同需求
。
例如，对于大范围矢量地理数据，精度指标需要根据不同比例尺而发生变化
(
如比例尺为1：
50
万时的矢量地理数据的精度指标为
50
‑
100
米，比例尺为1：
100
万时的矢量地理数据的精度指标为
100
‑
200
米
)
；而对于高精度矢量地理数据，则根据
《
测绘地理信息管理工作国家秘密范围的规定
》(95
号文件
)
规定，涉及军事
、
国家安全要害部门的高秘密等级的脱密处理，只需要脱密到
10
米左右的精度即可公开使用
。
因此，脱密方法应具有灵活可调节的目标脱密精度，以满足实际应用中不同的精度需求；第三，可用性需求
。
脱密后的矢量地理数据不能影响其可用性
。
矢量地理数据主要由要素的拓扑信息
、
坐标信息和属性信息组成，脱密数据需要保持要素间的拓扑结构
、
图形形态和空间方向；最后，脱密方法需要具有高效性，即对海量的矢量数据进行脱密时需要具有较高的处理效率，以满足矢量地理数据的实际应用需求
。
因此，脱密处理并不是简单地变换位置坐标，其难点在于如何设计一个脱密模型，可以兼顾矢量地理数据脱密的安全性
、
可控性
、
可用性以及高效性
。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在提出一种基于椭球空间映射的矢量地理数据可控脱密方法
。
由于地球椭球体的椭球面具有非线性和平滑变化的特点，若将矢量地理数据基于椭球面建立模型进行空间映射，不仅使其难以通过逆变换恢复出原始坐标信息，而且经过模型的空间映射后坐标仍能保持平缓变化，满足脱密数据的安全性和可用性需求
。
此外，通过设定不同脱密精度来调整对应场景的矢量地理数据，可满足脱密可控性的需求
。
[0005]本方法的流程为：首先，基于地球椭球体和空间映射技术对矢量地理数据建立椭球空间映射模型，并以此设定和分析出模型参数的变化范围
。
其次，根据预先设定的脱密参数
(
即目标脱密精度和目标添加噪声
)
以及模型参数设计出
X
轴和
Y
轴方向上的偏移变化函数，从而在确保数据可用的前提下，提高脱密数据的随机性
。
最后，根据椭球空间映射模型
和
X
轴和
Y
轴方向上的偏移变化函数生成的偏移对矢量地理数据进行脱密处理
。
[0006]本专利技术提供的一种基于椭球空间映射的矢量地理数据可控脱密方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1，建立椭球空间映射模型：首先，根据矢量地理数据的中心点构建一个空间笛卡尔坐标系，然后，矢量地理数据根据映射高度投射到地球椭球体的椭球面上；最后，通过映射角度实现对椭球面上的矢量地理数据的映射，从而实现数据脱密；在此过程中，产生的模型参数包括长半轴
、
短半轴
、
映射高度和映射角度等；
[0008]步骤2，分析模型参数范围：根据脱密要求，设定两个预定义的脱密参数，即目标脱密精度和目标添加噪声，其中，目标脱密精度定义了脱密数据的最大偏移距离，而目标添加噪声则定义了加入到脱密数据的噪声的最大范围；然后，根据预定义的脱密参数和步骤1建立的椭球空间映射模型，分析出模型参数的变化范围；
[0009]步骤3，设计偏移变化函数：为保证脱密数据的可控性和安全性，依据步骤2分析出的模型参数范围和预定义的脱密参数来设定
X
轴和
Y
轴方向上的偏移变化函数，在这个步骤中，映射高度和目标脱密精度作为变化目标，用以设计
X
轴方向上的偏移变化函数，并且映射角度和目标添加噪声作为变化目标，用以设计
Y
轴方向上的偏移变化函数；
[0010]步骤4，最终脱密处理：根据步骤3设计的
X
轴和
Y
轴方向上的偏移变化函数所产生的偏移，对矢量地理数据进行扰动处理，从而实现数据的最终脱密
。
[0011]进一步的，建立椭球空间映射模型步骤的具体实现方式如下，
[0012]步骤
1.1
，假设原始矢量地理数据为其中横坐标为纵坐标为
n
为坐标数量，并且中心点坐标然后，基于中心点坐标建立椭球空间映射模型，以实现从二维数据映射到三维空间的转变；
[0013]椭球空间映射模型以为椭球体球心，
a
为长半轴
、b
为短半轴建立空间笛卡尔坐标系，即
[0014][0015]步骤
1.2
，根据椭球空间映射模型，定义椭球体球心所在平面为纬度圆
φ0，数据所在平面为纬度圆
φ1，并且纬度圆
φ1与纬度圆
φ0平行，此外，纬度圆
φ1以为圆心，
r
为半径，因此，建立的椭球空间映射模型具有以下性质：
[0016]性质1：纬度圆
φ0的半径
a
大于纬度圆
φ1的半径
r
，即
a>r
；
[0017]性质2：若
a
越长，其经过空间映射后的脱密坐标变化则越平滑，效果越自然；
[0018]性质3：纬度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于椭球空间映射的矢量地理数据可控脱密方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，建立椭球空间映射模型：首先，根据矢量地理数据的中心点构建一个空间笛卡尔坐标系，然后，矢量地理数据根据映射高度投射到地球椭球体的椭球面上；最后，通过映射角度实现对椭球面上的矢量地理数据的映射，从而实现数据脱密；在此过程中，产生的模型参数包括长半轴
、
短半轴
、
映射高度和映射角度等；步骤2，分析模型参数范围：根据脱密要求，设定两个预定义的脱密参数，即目标脱密精度和目标添加噪声，其中，目标脱密精度定义了脱密数据的最大偏移距离，而目标添加噪声则定义了加入到脱密数据的噪声的最大范围；然后，根据预定义的脱密参数和步骤1建立的椭球空间映射模型，分析出模型参数的变化范围；步骤3，设计偏移变化函数：为保证脱密数据的可控性和安全性，依据步骤2分析出的模型参数范围和预定义的脱密参数来设定
X
轴和
Y
轴方向上的偏移变化函数，在这个步骤中，映射高度和目标脱密精度作为变化目标，用以设计
X
轴方向上的偏移变化函数，并且映射角度和目标添加噪声作为变化目标，用以设计
Y
轴方向上的偏移变化函数；步骤4，最终脱密处理：根据步骤3设计的
X
轴和
Y
轴方向上的偏移变化函数所产生的偏移，对矢量地理数据进行扰动处理，从而实现数据的最终脱密
。2.
如权利要求1所述一种基于椭球空间映射的矢量地理数据可控脱密方法，其特征在于：建立椭球空间映射模型步骤的具体实现方式如下，步骤
1.1
，假设原始矢量地理数据为其中横坐标为纵坐标为
n
为坐标数量，并且中心点坐标然后，基于中心点坐标建立椭球空间映射模型，以实现从二维数据映射到三维空间的转变；椭球空间映射模型以为椭球体球心，
a
为长半轴
、b
为短半轴建立空间笛卡尔坐标系，即步骤
1.2
，根据椭球空间映射模型，定义椭球体球心所在平面为纬度圆
φ0，数据所在平面为纬度圆
φ1，并且纬度圆
φ1与纬度圆
φ0平行，此外，纬度圆
φ1以为圆心，
r
为半径，因此，建立的椭球空间映射模型具有以下性质：性质1：纬度圆
φ0的半径
a
大于纬度圆
φ1的半径
r
，即
a>r
；性质2：若
a
越长，其经过空间映射后的脱密坐标变化则越平滑，效果越自然；性质3：纬度圆
φ1上的所有点都与纬度圆
φ0上垂直映射的点等距，即纬度圆
φ1上的所有点的
z
坐标相等；性质4：在纬度圆
φ1上与垂直于椭球体曲面映射距离最长的点为中心点距离为与垂直于椭球面曲面映射距离最短的点为圆
φ1边上的点，距离为0；步骤
1.3
，椭球空间映射模型的脱密，假设矢量地图数据内的点垂直于椭球体曲面上的点并与纬度圆
φ1的映射角度为
θ
与
x
轴同向，点通过下式偏移到点即
其中，和分别为点在
X
轴方向和
Y
轴方向上的偏移；此外，定义根据点到椭球体曲面的映射高度进行变化，并且根据映射角度进行变化，即
3.
如权利要求2所述一种基于椭球空间映射的矢量地理数据可控脱密方法，其特征在于：分析模型参数范围步骤的具体实现方式如下，根据步骤
1.2
得出的性质1和性质2，定义长半轴其中为矢量地理数据在
X
轴方向的长度，并且
δ
>1
，短半轴
b
＝
a(1
‑
f)
，其中扁率
f
与原始数据坐标系的扁率一致；此外，根据点在
X
轴方向和
Y
轴方向上的偏移和可知，需要分析和的范围以在最大程度上实现空间映射，通过模型和性质，计算出点到椭球体曲面的映射高度的变化范围为以及点的映射角度范围为
4.
如权利要求1所述一种基于椭球空间映射的矢量地理数据可控脱密方法，其特征在于：
X
轴方向上的偏移变化函数的设计步骤如下：根据椭球空间映射模型和步骤2得到的映射高度变化范围可知，随着点从数据的边界向数据中心点移动，其映射高度在区间
[H
min
,H
max
]
平稳增长，故的变化特性符合变化函数拟实现的效果，因此，偏移函数满足正弦函数的变化，即其中，和并且
H
max
和
H
min
分别为映射高度的最大值和最小值，根据函数
f
s
′
(X)
可知，偏移函数是以光滑渐近的方式变化，可满足脱密数据可用性
。5.
如权利要求4所述一种基于椭球空间映射的矢量地理数据可控脱密方法，其特征在于：为进一步提高
X
轴方向上的偏移变化函数的安全性，对偏移函数
f
S
′
(X)
增加扰动，如下式所示：其中，
f
S
(X)
为
X
轴方向上的偏移变化函数，并且
v
s
为偏移变化函数的扰动，目的是提高函数变化的随机性；此外，为确保偏移变化函数
f
S
(X)
的范围在区间
[0,
ρ
]
内，对
f
s
′
(X)
和
v
s
分配权重系数
λ
和
γ
，如下式所示：其中，
v
s
＝
γρ
T
，并且
λ
>
γ
，
λ
+
γ
＝1，
T
为扰动函数
。6.
如权利要求5所述一种基于椭球空间映射的矢量地理数据可控脱密方法，其特征在
于：扰动函数
T
的定义规则如下：根据中心点坐标对数据进行
X
轴和
Y
轴方向的划分，得到四个不同区域，从左下角按逆时针方向对四个区域进行命名，分别得到区域
1、
区域
2、
区域3和区域4；首先，为了保...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐彦彦，欧阳雪，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：