一種適用于移動端瓦片地圖的加密方法

方曉樂，吳永靜，陳鑫祥，劉雪俊

(廣東省國土資源技術中心，廣東 廣州 510075)

一種適用于移動端瓦片地圖的加密方法

方曉樂，吳永靜，陳鑫祥，劉雪俊

(廣東省國土資源技術中心，廣東 廣州 510075)

在移動端地圖大行其道的今天，如何保證地圖服務不被盜用和防止信息泄漏是一個亟待解決的難題。針對這種情況，本文提出了一種適用于移動端瓦片地圖的加密方法，通過對地圖瓦片入庫順序的置亂，以及對瓦片的圖層行列值信息的加密，使得移動端地圖瓦片在被非法使用時地圖信息無法還原，提高了移動端上地理信息應用的安全性。

地圖；移動端；置亂；加密；瓦片

互聯網時代，地理信息是國家重要的戰略資源，無論是在政府管理決策、國民經濟建設，還是在人民生活等方面，它都起著舉足輕重的作用[1-3]。同時，移動終端隨著智能化發展，也在人們的生活工作中扮演著越來越重要的角色，這促進了移動端地圖應用的發展。如今，在日常生活和工作中許多與地理位置信息相關的服務，移動地圖應用都提供相應的功能，移動終端的地圖應用已經融入到了人們的生活甚至工作中[4-5]。然而，電子地圖信息由于其存放與提供的形式，特別是移動端離線瓦片地圖的存放格式，導致了其具有無限次的復制性，同時復制處理手段非常簡單和低廉，因此極容易出現非法的復制、篡改、傳播，造成了地圖的泄密與管理失控[6-8]。

如何對移動端地理信息進行保護，在方便用戶的同時，保證地圖信息不被他人竊取，是一個亟待解決的問題。數字水印技術是解決電子地圖版權問題的有效途徑之一[9]，然而在電子地圖中加入數字水印只是一種被動防御策略，只能在信息被竊之后進行跟蹤和確認，無法主動通過加密使得被竊信息不可使用。

針對這種情況，以廣東省天地圖數據為例，本文提出一種適用于移動端瓦片地圖的加密和解密算法，使得移動端格式的電子地圖在被非法復制使用的情況下不可讀，而在合法使用的情況下卻能正常讀取，以實現在離線數據庫格式下對影像電子地圖加密保護，為電子地圖版權與私隱保護提供一種有效的主動防御解決方案。

1 移動端地圖瓦片

1.1 地圖瓦片的格式

以廣東省天地圖為例，地圖會被切割成每英寸打印點數(dots per inch，DPI)為96、分辨率為256×256像素級別的瓦片，并保存為JPEG或PNG格式。

1.2 地圖瓦片在移動端的存放形式

地圖瓦片顯示通常采用切割的方式，以比例尺為單位圖層，將整幅影像地圖以像素為單位切割成若干個大小相同的格網。當將多個比例尺的影像地圖瓦片放在一起時，整個地圖就劃分成了如圖1所示的金字塔形、大小均勻的瓦片矩陣集合。廣東省天地圖也是采用這種金字塔存放形式對地圖瓦片進行組織，然后以圖層命名第1層文件夾名字(如L1文件夾存放第1層的瓦片)，以對應圖層下瓦片的行次序號命名第2層文件夾名字(如L1/R1存放第1層下第1行的瓦片)，以對應層下瓦片的列次序號命名瓦片名稱(如L1/R1/C1.png則表示該瓦片顯示的內容位于第1層第1行第1列)。

圖1 地圖瓦片金字塔存放形式

在移動端，人們通常使用離線地圖包，然而零碎的瓦片組織會導致大量的存儲空間被浪費。因此，許多移動地圖應用[4，10-11]都采用SQLite數據庫[12]將地圖瓦片以二進制大文件(binary large object，BLOB)的形式進行統一存放，形成獨立的數據庫文件，這樣可以減少碎片化，降低移動端的存儲空間消耗。廣東省天地圖在移動端實施中，采用表1的方式，將地圖瓦片組織成一個或多個SQLite文件。

表1 廣東“天地圖”瓦片在移動端中SQLite的表結構

1.3 離線地圖在移動端的讀取

在移動端應用中讀取地圖，首先假設要獲取的相關瓦片顯示的經緯度為(X,Y)，圖層為第N層，在廣東天地圖中，采用規定的經緯度轉行列號公式[8]，獲取到瓦片的行列號(Row，Col)，再根據層行列(N，Row，Col)對(離線地圖包或服務器中)SQLite格式存放的瓦片進行查詢(見表1)，讀取瓦片的BLOB格式，最后通過解析圖片完成瓦片的讀取。

鑒于移動端的瓦片讀取方式，特別是在使用離線地圖包的情況下地圖瓦片信息極容易被獲取，因此，需要對地圖瓦片進行加密，以避免信息泄露。

2 加密方法

本文對移動端地圖瓦片采用的加密方式主要是置亂和位異或運算加密。加密方法如圖2所示，具體有以下幾個步驟：

圖2 移動端地圖加密方法

(1) 隨機置亂瓦片的入庫次序，并賦予次序值在ID上。

(2) 用瓦片的層值(LV)、行值(Row)及列值(Col)進行運算組合，組合方式不是唯一的，可以自行選擇，甚至采用復雜度高的運算方式，文中采用計算式(LV2×Row)^Col進行，將得到的運算值作為偽隨機數發生器的輸入，生成隨機數，并對LV、Row、Col分別作位異或運算加密，生成LV′、Row′和Col′。

(3) 在數據庫建立表，將瓦片入庫。

通過以上3步，完成對移動端地圖瓦片包的加密。非法使用該瓦片服務或離線包時，由于順序的置亂，瓦片在SQLite中的次序已被打亂；同時由于LV、Row和Col加密后值的隨機性，無法根據需要獲得準確的瓦片，讀取的位置往往為空或是無序的瓦片的堆疊。如在廣東天地圖的組織順序中，LV=7、Row=22、Col=102的地圖瓦片原本是第1位入庫的，置亂后可能是第13 537位入庫，同時對LV、Row和Col加密得出LV′=95 692，Row′=29 426，Col′=340 238，因此無法得知其準確位置實現讀取。

3 解密方法

對于采用了上述加密方法的地圖瓦片服務或離線包，移動端地圖應用需要通過解密方法才可以獲取到準確的地圖信息，正常瀏覽瓦片，解密方法如圖3所示，具體可以分為以下兩個步驟：

圖3 移動端地圖解密方法

(1) 利用需要讀取的(LV，Row，Col)，通過與加密方式一致的計算公式進行組合，并采用同樣的偽隨機數發生器，通過位異或運算，獲取(LV′，Row′，Col′)。

(2) 利用(LV′，Row′，Col′)對SQLite數據庫進行查詢，獲取實際(LV，Row，Col)位置的瓦片內容。

4 應 用

采用廣東省天地圖矢量瓦片數據，對所描述的加密解密方法進行應用示范，使用SQLite數據庫文件離線包的格式，開發環境采用Eclipse Java，移動端采用Android 5.1系統。

4.1 瓦片離線包的加密

4.1.1 順序置亂

使用Java Develop Kit 1.8中util庫中的Random函數生成隨機數，利用洗牌算法(程序原理如圖4所示)，隨機抽取瓦片進行層行列的加密。

圖4 洗牌法抽取瓦片入庫次序

4.1.2 層行列加密

提取瓦片后，要對瓦片的信息進行加密，首先對LV、Row和Col進行組合,其中⊕表示位異或運算，即

S0=(LV2×Row)⊕Col

(1)

然后以S0作為偽隨機數發生器的輸入，其中偽隨機數發生器采用文獻[13]中的混沌算法，以XORshift[14]作為基礎偽隨機數發生器，公式如下

(2)

式中，a、b、c可以通過文獻[14]中的介紹自行選擇，應用中a=11、b=5、c=13。由于文獻[13]中的隨機序列滿足混沌特性，對輸入極其敏感，同時具有良好的統計特性，因此保證了瓦片加密的安全度。最后層行列的加密公式如下

(3)

獲取(LV′，Row′，Col′)后，對瓦片進行入庫操作，完成離線包的制作，加密后與加密前的離線包SQLite文件內容如圖5所示(zoom_level表示LV，tile_column表示Col，tile_row表示Row，tile_data表示瓦片BLOB內容，左邊為加密前數據，右邊為加密后數據)。可見，瓦片內容被完全打亂，在未解密的情況下，地圖不可讀(如圖6(a)所示)。

4.2 移動端瓦片包的解密讀取

在獲取了需要讀取的瓦片層行列值(LV，Row，Col)之后，需要采取以下步驟：

(1) 采用式(1)將(LV，Row，Col)換算成S0。

(2) 采用式(2)與式(3)，計算出(LV′，Row′，Col′)。

圖5 庫中數據加密前后對比

圖6

(3) 利用(LV′，Row′，Col′)在地圖離線包中查詢出瓦片內容并在移動端顯示(如圖6(b)所示)。

5 結束語

針對移動端瓦片地圖信息容易被泄漏且不容易保護的情況，本文提出了一種基于置亂與對層行列值位異或運算的加密方法，實現了對移動端調用地圖瓦片時信息的保護，為移動端上地理信息的安全使用問題提供了一種有效的解決方案。

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A Novel Map Encryption Solution for Mobile Map Application on Tiles

FANG Xiaole，WU Yongjing，CHEN Xinxiang，LIU Xuejun

(Land and Resources Technology Center of Guangdong Province, Guangzhou 510075, China)

Nowadays, mobile map applications have been applied everywhere. Protecting the copy rights and some private information of the maps is a hot topic. An encryption method for map tiles in mobile application is given in this paper, the sequence of the tiles would be scrambled by the random numbers, which are created by the tile’s row, column and level values. This approach is able to keep the map unreadable in the illegal application, which can enhance the protection.

map; mobile; scrambling; encryption; tiles

方曉樂，吳永靜，陳鑫祥，等.一種適用于移動端瓦片地圖的加密方法[J].測繪通報，2017(2)：116-119.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0063.

2016-05-27

廣東省國土資源廳科研專項(GDGTKJ2016003)

方曉樂(1984—)，男，博士，高級工程師，主要從事GIS研發工作。E-mail：10048392@qq.com

P208

A

0494-0911(2017)02-0116-04