本文以非线性理论中的混沌和分形两大理论为基础，研究了非线性理论在数字水印和自然景观模拟中的应用，具体研究内容如下： (1) 利用Hilbert分形曲线扫描和无限折叠迭代混沌映射(Iterative Chaotic Map with Infinite Collapses，ICMIC)的特征，实现了一种图像空间域上的数字水印算法。该算法充分考虑了人类视觉系统(Human Vision System，HVS)的掩蔽特性。原始图像在空间域上进行了预处理，其纹理区得到了突出。嵌入时采用最小化像素改变量的优化策略，提取时应用概率统计的知识，很好的满足了水印信息的不可见性。实验结果证明该算法具有较好的鲁棒性和高保真性。 (2) 在混沌加密和小波变换的基础上，改进了一种小波变换域上的二值图像水印算法。该算法首先利用混沌加密和置乱变换对原始的水印信息进行双重置乱，使其具有密码学意义上的安全性；然后引用修正的二值运算方法将变换后的水印信息嵌入到图像的小波变换域中；水印的提取基于概率统计的知识且不需要原始图像的参与。实验结果证明了该算法的有效性。 (3) 以传统的分形图像编码为基础，改进了一种分形变换域上的数字水印算法。该方法将水印信息嵌入到值域子块的所有像素中。使得隐藏的信息很难被发现和篡改。基于值域块最佳匹配的策略，进行水印的嵌入，降低了算法处理的复杂度，而重构的水印图像其显示效果也较为理想。实验结果证明了该算法的有效性。 (4) 以分形L-系统的单规则作图机制为基础，提出了伪L-系统的多规则产生式机制。将边长的随机性理论引入之后，得到了更为理想的模拟景物。把上下文相关的L-系统在理论上进行了扩展，将控制参数引入到产生式之后，得到了更加逼真的动态自然景观。