随着国家的发展建设,地理数据产品的应用范围和规模不断扩大,产品的数量高速增长。以地理数据(本文特指矢量地理数据)为核心的GIS(geographical information system)系统被广泛地应用于环境监测、国土资源管理、城市规划、交通物流甚至军事国防等重要领域。同时,随着车载导航、基于位置的服务(location based service)、轨迹规划(trajectory planning)、预测(prediction)以及推荐(recommendation)等新兴应用的加速普及,地理数据的应用已经深入到人们的日常生活之中,成为人们生活中不可或缺的一部分。地理数据的获取需要消耗大量的人力和物力,构建地理数据集是一项复杂而又庞大的工程,需要经过实地采集、数字化、矢量化以及坐标标准化等一系列繁杂的过程。因此地理数据是数据生产者的宝贵财富。然而,作为一种数字数据,地理数据的复制与修改非常容易。如何证明地理数据的版权归属,以及如何确定地理数据的完整性,已经成为当前数字测绘生产与应用中的迫切需要。数字水印是一种重要的保护数字产品安全的方法。它的基本思想是在数字作品中嵌入秘密信息,以便保护数字产品的版权,证明产品的完整性、跟踪盗版行为或提供产品的附加信息等。本研究以地理数据为对象,研究如何利用数字水印技术保护地理数据的版权和验证地理数据的完整性,以及地理数据的质量评估方法以度量水印后地图的可用性并提高水印技术的性能。具体而言,本文研究内容主要包括以下4个部分：(1)由于现有地理数据水印方法无法同时抵抗几何攻击与化简攻击,本文提出了一种基于特征距离比值的鲁棒水印方法。该方法首先改进道格拉斯-普克算法,使其基于相对化简阈值进行特征点选取,从而保证特征点相对几何攻击的稳定性。进而基于特征点集合求取稳定的水印载体特征距离比值,并依据特征距离比值的高位进行水印同步,将水印位重复地嵌入到多个地物之中。由于特征距离比值相对几何变换与化简均十分稳定,本算法能有效抵抗常见的矢量地图水印攻击(几何攻击、化简、噪声与裁剪攻击),实验表明本算法首次实现对化简攻击与缩放攻击的同时抵抗,具有很高的实用价值。(2)现有的地理数据水印技术绝大多数针对传统的地理数据(即矢量地图)进行水印嵌入,对新兴而又十分重要的数据形式的关注尚且较少。本文针对轨迹流数据,调研了轨迹流数据的版权保护问题,讨论了其重要性及存在的挑战。进而分析并定义了针对轨迹流数据水印所需面对的数据修改方式(即攻击方式,包括几何变换、轨迹压缩、轨迹切割以及噪声攻击)。其后为了抵抗上述攻击,设计了一种在线轨迹流数据水印框架。该框架使用单次扫描处理模式进行水印嵌入与检测：首先使用基于时间插值的特征位置选取方法从轨迹流中选取特征位置,进而基于特征距离进行水印同步与嵌入。其后,我们实现了本文的算法并基于真实数据集进行了模拟实验。实验结果表明,本方法可抵抗所定义的各种攻击,包括几何变换、轨迹压缩、轨迹切割以及噪声攻击。(3)现有的地理数据完整性验证方法均基于顶点/地物的分组进行水印生成与嵌入,其定位粒度相对较为粗糙且检测结果无法明确指出地物所受的攻击类型。本文针对矢量地图的完整性验证方法,设计了一种可识别、定位以及刻画修改的脆弱水印方法。该方法首先定义了地物的修改类型,即地物增加、地物删除与地物更新。进而使用转角函数定量地描述了地物的结构,并基于转角函数值定义地物更新。水印嵌入时,嵌入算法首先基于地物转角函数值将地物进行分组,进而同时向每个地物中嵌入两种水印,即地物水印与分组水印。检测时,为了刻画修改类型,定义了不同修改类型所对应的检测模式,并使用概率建模分析了各检测模式可被正确获取的概率以保证本算法的脆弱性。最后基于真实数据集设计实验验证了理论分析的正确性以及水印方法的脆弱性。(4)现有地理数据质量评估方法仅针对点位层面给出了定量的度量,对于地物的几何结构和拓扑关系方面,所给出的度量尚且十分粗浅。同时,现有工作中数据质量度量仅独立于水印技术之外被单独提出,并未很好与水印技术的鲁棒性与脆弱性结合起来。针对矢量地图的可用性问题,本文从点位精度、几何结构以及拓扑关系三个方面使用相似性度量定量地刻画了矢量地图的质量。修改后地图与原始地图相似性越高则质量越高。进而,基于点位相似度约束水印算法嵌入强度以保证保真性,基于几何结构相似度选取特征点以保证鲁棒水印算法抵抗化简攻击的能力,基于拓扑关系保真度改进了矢量地图的鲁棒水印与脆弱水印算法以保证拓扑关系保真性。最后通过实验验证了相似性度量的有效性,以及其对鲁棒性与脆弱性的增强。