前言

2006年9月，我正式进入哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院成为一名博士研究生，作为一名计算机应用技术专业的博士生，应该做些什么，如何确定自己的研究方向，让自己不虚度学业，让自己的“科研生命”长青，这是摆在我面前的严峻问题。

在确定研究方向的时候，我主要考虑了以下几个问题：1）必须是一个关系国民经济或国家发展的关键命题；2）必须是一个实际的科研问题，不那么虚无缥缈；3）必须是一个交叉领域问题，不需要过于热门。在这样的背景下，结合我的个人爱好和知识积累，确定了自己的科研方向：数字矢量地图版权保护技术研究。

2007年9月，我开始进入博士学位论文研究阶段，当时能够检索到的相关国内外核心期刊论文和会议论文不过百篇，这对于一个研究方向或者领域来说，数目可谓寥寥无几。但是，我坚信我这个领域不会太冷，而且一定会逐渐“春暖花开”。事实证明，当时的想法是对的，当然这是后话。在当时我还是理清了思绪，耐心阅读了所有的可检索到的论文，并进行了适当的扩展阅读，最终选择了影像地图数字水印技术作为自己的研究领域。

完成综述后，我和我的学生们发现，矢量地图数字水印技术种类繁多，所依托的理论、数学模型千差万别。如何进行比较和性能分析呢？不知彼长，如何确定己短呢？衡量的标准是什么，指标体系如何确定？为此，我决定从水印技术性能评测入手，分为定性和定量两个阶段，后者可以利用公认的顽健性、不可见性、容量等关键要素，前者可以从安全性、稳定性考虑，提出基于可信度的性能评价模型。

随着信息处理技术和网络技术的快速发展，数字影像地图已逐步成为地理信息系统、智能交通运输系统、数字化城市和数字化国防建设等方面必需的保障资源。数字影像地图的地理信息翔实准确，具有巨大的经济价值和战略意义。同时，数字影像地图制作成本极高，针对数字影像地图的非法拷贝、窃取等侵权行为也日益猖獗。对于数字影像地图的数据安全防范措施稍有不当，就会给企业造成损失，甚至会对国家安全带来严重的威胁。为此，数字影像地图的内容安全问题已受到我国政府、军队和科研院所以及相应企业的关注。数字影像地图水印技术是一种解决数字矢量地图版权保护问题的常用手段。虽然人们对数字矢量地图水印技术进行了近20年的研究，提出了若干技术并试图解决数字矢量地图在应用中遇到的各类安全问题，但这些技术并没有很好地解决水印或信息隐藏技术对于地图内容的无损问题。

我的研究思想是以数字地图的两大类别——数字矢量地图和数字影像地图为主要研究对象，以无损信息隐藏为研究内容，从数字地图的实用角度出发，深入研究可满足数字矢量地图内容无损要求、抵抗多种攻击方式的数字地图无损信息隐藏水印技术。本书的创新工作主要包括以下几个方面。

首先，结合数字矢量地图的特点以及小波分形理论，本书提出了基于小波分形无损的零水印算法，并且详细介绍了基于小波分形无损的零水印算法的技术实现过程，通过有效性、顽健性、IBM攻击测试等实验表明，该技术对数字矢量地图的精度无损，且具有较高的顽健性，结合第三方认证机制，该技术可以完全抵制IBM攻击，使该水印技术具备真正的可行性和实用性。

其次，针对空间域算法主要是通过修改像素信息来嵌入水印，技术实现简单，顽健性差，对图像的损伤也较大，具有无法抵抗多种攻击等缺点，本书提出了基于波段叠加的数字影像地图无损信息隐藏技术，以IMG格式的数字影像地图为例详细介绍了技术的实现流程。经过抗攻击性能测试、不可见性检测与分析等方式，验证结论表明该技术达到了水印无损嵌入和提取的目标，且具有较高的顽健性和隐蔽性。

最后，在数字矢量地图零水印技术和数字影像地图无损信息隐藏技术研究的基础上，针对上述无损信息隐藏技术地图格式依赖性强、自适应性差的特点，本书提出了格式无关的数字地图可逆数字水印技术。该技术运用云模型的不确定性特征，实现了对主流格式数字地图的无损信息隐藏，相继介绍了云水印的生成、嵌入和提取方法，并就此进行了大量的实验验证。依据云的模糊性和随机性理论，当部分水印云滴受到攻击后，云模型也不会有太大变化，因而具有较好的顽健性。该算法可适应于数字矢量地图、数字影像地图等多种格式的数字地图。

本书比较全面、系统地论述了数字地图信息隐藏技术的关键理论和技术问题，主要内容包括数字地图的基本特征、水印算法的基本原理、基于小波分形的水印技术、基于波段叠加的水印技术、格式无关的可逆水印技术等。

全书共分为5章，每章都包含了作者近年的科研成果。第1章简要介绍研究背景、研究目标以及国内外有关数字地图信息隐藏算法的研究现状。第2章介绍了数字地图信息隐藏技术的基本原理，数字地图基本概念，数字地图制作的基本过程，数字地图分类及数字地图信息隐藏相关技术和数字地图无损信息隐藏的特点。第3章为数字矢量地图无损数字水印算法原理及相关内容的研究，介绍了信息隐藏技术、无损和可逆水印技术、基于分形技术的零水印等概念和技术，并分析了小波、分形、多图分形。在第3章的最后重点介绍了基于小波分形无损的零水印算法。该算法包括小波变换及低频系数块提取、分形相似匹配、水印的生成与注册、基于第三方的数字水印认证、水印检测与提取。第4章针对影像地图空间域算法顽健性较差、对图的损伤大、无法抵抗多种攻击，频率域算法比较复杂、对图像的质量有一定的影响、无法抵抗多种组合攻击的问题，提出基于波段叠加的零水印算法。该算法实现了完全无损的水印嵌入与提取，不对地图文件造成任何损坏，并具有较好的顽健性及不可见性。第5章在第3章和第4章研究成果的基础上，提出了格式无关的数字地图无损数字水印算法。该算法利用云模型的随机性和模糊性，把云作为水印信息嵌入到数字地图中，提出了在数字地图中嵌入和提取云水印的算法。该算法具有很好的顽健性，并且该算法自适应性较强，适应于数字矢量地图、数字影像地图等数字地图，与文件格式无关。

本书是哈尔滨工程大学计算机信息安全研究团队全体师生的研究成果结晶。本书是国家自然科学基金、教育部高等学校博士点基金、黑龙江省自然科学基金、黑龙江省博士后资助经费项目的成果总结。在写作过程中，博士生寇亮、白玉，硕士生刘少林、张文亮、曹翠玲、袁春艳等付出了辛苦工作。特别感谢哈尔滨工程大学张国印教授、马春光教授对本书及个人研究工作的支持和鼓励。

限于作者水平，书中定有疏漏和不当之处，希望大家批评指正并与我进行学术交流，联系方式：xiasongzhu@hrbeu.edu.cn。

希望本书能为推进我国数字地图安全研究尽绵薄之力。