第1章 绪论

1.1 背景及意义

随着信息处理技术和网络技术的快速发展，数字地图在地理信息系统、智能交通运输系统、城市规划管理系统、海洋开发等领域获得了广泛应用，它是地理学、测绘、导航、军事等领域开展科学研究的数据基础，具有巨大的可重复利用价值，数字化城市和数字化国防建设都需要数字地图的支撑和保障。数字地图具有地理信息丰富、造价昂贵、经济及军事利益突出等特性，在地理信息相关领域正在得到迅速普及，整个信息化社会对数字地图的依赖程度也越来越大。数字地图已经成为社会发展和经济建设的强大信息资源，其地位越来越重要。伴随着数字地图的推广和应用，也产生了各种各样的数据安全问题，其中，非法拷贝、恶意篡改等数据安全问题尤为突出，它严重威胁着地图所有者的合法利益，对国家安全和经济发展造成重大的潜在威胁。

数字地图的数量递增以及大量应用系统的诞生，促使人们越来越重视数字地图的安全问题。人们在享受地理信息化带来的众多便利的同时，面临着日益突出的信息安全问题。数字地图发布后对传播者的身份认证与权责利的确认，造价昂贵的数字地图地理内容的真实性鉴别等都将成为地图安全防护研究的焦点，这将直接影响到国家主权、经济发展和社会稳定。过去的10多年时间里，我国投入了大量人力财力，建成了不同比例尺和不同用途的数字地图，如何保护这些数字地图的安全是享受科技成果带给军队和国家建设巨大推动力的前提条件。在我国不断发生数字地图失窃或非法拷贝等事件，这对信息国防领域来说无疑是一次次沉重的打击。

了解数字地图面临的各种威胁，防范和消除这些风险，实现真正的数据安全已经成了地理信息相关产业发展中最重要的事情。每个国家都为了商业或者军事的目的，不惜重金来研究数字地图的数据安全。解决数字地图数据安全问题的基本途径是对地图存储介质进行严格管理和控制，可以通过人员保密教育、规章制度约束以及硬件加密手段来实现。但人员和设备因素导致的数据风险是无法预知的，对于数字地图来说，基于人为的恶性操作要比存在漏洞的技术会产生更严重的信息灾难。数字地图水印技术的研究是目前地理信息安全领域研究的重要课题之一。

数字地图水印技术除提供必需的地图版权保护功能外，还具有以下安防目标：1）鉴定地图数据的真伪；2）考察地图内容的完整性；3）追踪泄密地图的来源。传统的数字地图水印技术就是通过信息隐藏来提供版权证明，这种被动且单一的数据防护方法已经不能满足当今信息安全的需求。因此，要建立一个完整的数字地图安全防护体系，需要综合应用多种安全技术，从不同的角度、层次对数字地图进行研究。分析数字地图的内容特征，实现信息的无损隐藏；并通过融入生物信息，实现地图用户身份的识别，保证数字地图的内容不被轻易获得。

按照数字地图数据安全问题的危害性程度，对数字水印技术的安全需求可以分为3个层次：1）版权证明；2）完整性验证；3）防数据泄露。目前，3 个层次的问题都未得到合理有效的解决，数字地图水印技术的研究成果还有很多不理想的地方。如：1）版权证明时，水印技术还无法达到对地图内容零扰动、精度无影响的最佳状态；2）对于地图数据压缩、拟合简化以及坐标系变换等编辑方式，算法的顽健性普遍较弱；3）按照算法公开原则，多数算法均可被逆向破解。

据国内媒体统计，仅2009年，基于GPS的数字地图专项产业规模超过400亿元人民币，其中一半以上为盗版地图。而遏制这种行为的关键技术即为数字水印，如“道道通”产品状告某导航软件公司一案，就是因为道道通的地图出版方瑞图万方在数字地图内加入了数字水印，为案件的审理提供了有力证据。在地图制作过程中，瑞图万方投入了数亿元人民币，1 000 多名专业测绘人员，历时 4年半完成产品研究。数字地图不但测绘研发费用庞大，维护费用也相当昂贵，每次更新都需要千万甚至上亿元人民币。一旦地图被盗版或非法滥用，给地图生产者带来的灾难和损失都难以估量。

为满足迫切的应用需求以及数字化地理信息科学的发展，亟须建立一套保障地理信息资源合法有序使用的安全机制。总之，这是一个面临巨大需求而又需要解决大量关键问题的研究领域，还需要对数字地图的内容特征进行大量的深入研究。如何在提高数字水印算法整体性能的同时消除对数字地图内容的扰动一直是研究的核心问题。