A DNA Dynamic Encryption Algorithm for High-Definition Maps of OpenDRIVE

ZHANG Mingwang; ZHANG Liming; YAN Haowen; TAN Tao; WANG Lei; LIU Shuaikang

doi:10.13203/j.whugis20240304

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

A DNA Dynamic Encryption Algorithm for High-Definition Maps of OpenDRIVE

Cartography and GIS | 更新时间：2026-11-05

- A DNA Dynamic Encryption Algorithm for High-Definition Maps of OpenDRIVE
- Geomatics and Information Science of Wuhan University Vol. 51, Issue 6, Pages: 1263-1272(2026)
- 作者机构：
  
  1.兰州交通大学测绘与地理信息学院，甘肃兰州，730070
  2.地理国情监测技术应用国家地方联合工程研究中心，甘肃兰州，730070
  3.甘肃省测绘科学与技术重点实验室，甘肃兰州，730070
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13203/j.whugis20240304
  CLC： P208
- Received：29 May 2025，
  
  Published：05 June 2026
- 稿件说明：
移动端阅览
张明旺,张黎明,闫浩文，等.面向OpenDRIVE格式高精地图的DNA动态加密算法[J].武汉大学学报（信息科学版）,2026,51(6):1263-1272.

ZHANG Mingwang,ZHANG Liming,YAN Haowen,et al.A DNA Dynamic Encryption Algorithm for High-Definition Maps of OpenDRIVE[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2026,51(6):1263-1272.
张明旺,张黎明,闫浩文，等.面向OpenDRIVE格式高精地图的DNA动态加密算法[J].武汉大学学报（信息科学版）,2026,51(6):1263-1272. DOI：10.13203/j.whugis20240304

ZHANG Mingwang,ZHANG Liming,YAN Haowen,et al.A DNA Dynamic Encryption Algorithm for High-Definition Maps of OpenDRIVE[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2026,51(6):1263-1272. DOI：10.13203/j.whugis20240304

摘要

针对高精地图在存储、传输中的安全问题，基于脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid

DNA）编码，提出了一种面向OpenDRIVE格式高精地图的动态加密算法，该算法包括置乱和扩散两部分。首先，应用混沌系统产生随机序列，通过该序列将DNA碱基组合与高精地图中的参数化三次曲线建立映射，再应用碱基互补规则对曲线参数进行置乱；然后，扩散曲线参数，通过对DNA碱基编码，由随机序列建立各曲线与编码方案的映射，并对曲线参数进行二进制下的碱基编码；最后，按照映射的编码方案进行DNA加法运算，将运算结果转化为十进制得到密文数据。实验结果验证了所提算法可以实现选择性加解密，平均加密效率为2.654 MB/s，平均解密效率为2.588 9 MB/s。加密算法的信息熵随数据量增大而增大，实验数据的最大信息熵达到29 101，且能抵抗裁剪攻击，可用于智能网联汽车高精地图的安全存储和传输。

Abstract

Objectives

High-definition (HD) maps are essential infrastructure for autonomous driving

characterized by high collection costs

significant economic value

and containing a substantial amount of sensitive geographic and road information. Ensuring their security and privacy protection has become an urgent priority. As the foundation of data security

encryption technology can provide the technical support necessary for the secure storage and transmission of HD maps. To address the security protection issues of HD maps during storage and transmission

a dynamic encryption algorithm for high-definition maps in OpenDRIVE format was proposed based on the data characteristics of HD maps and deoxyribonucleic acid (DNA) dynamic coding.

Methods

The algorithm consists of two main components: scrambling and diffusion. During the scrambling process

a random sequence is first generated using the SHA-512 hash algorithm in conjunction with a two-dimensional chaotic system. Next

the parameterized cubic curves representing elevation

superelevation

and lanes in the HD map are mapped to corresponding base combinations using this random sequence. The parameters within the curves are then scrambled according to the principle of base complementarity. In the diffusion operation

the DNA bases are first encoded

and a stable index relationship between each curve and the encoding scheme is established through a random sequence. Second

the parameters of the curve are base-encoded in binary. Third

the DNA addition operation is performed according to the index encoding scheme. Finally

the operation result is converted into decimal to obtain the ciphertext data.

Results

The experiment demonstrates that the algorithm provides high security

with a large key space and strong key sensitivity. The encryption algorithm demonstrates effective performance

enabling selective encryption and decryption. Additionally

in the event of cropping attacks on the HD map

the unaffected portions of the data can still be successfully decrypted.

Conclusions

The algorithm is suitable for the secure storage and transmission of HD maps in intelligent connected vehicles. Its selective encryption and decryption capabilities make it adaptable to various application scenarios

offering strong practicality.

关键词

Keywords

references

JO K ， KIM C ， SUNWOO M . Simultaneous Localization and Map Change Update for the High Definition Map-Based Autonomous Driving Car ［J］. Sensors ， 2018 ， 18 （ 9 ）： 3145 .

李必军，郭圆，周剑，等 . 智能驾驶高精地图发展与展望［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2024 ， 49 （ 4 ）： 491 - 505 .

LI Bijun ， GUO Yuan ， ZHOU Jian ， et al . Development and Prospects of High Definition Map for Intelligent Vehicle ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2024 ， 49 （ 4 ）： 491 - 505 .

LI J Y ， JIANG F L ， YANG J ， et al . Lane-DeepLab： Lane Semantic Segmentation in Automatic Driving Scenarios for High-Definition Maps ［J］. Neurocomputing ， 2021 ， 465 ： 15 - 25 .

陈会仙，章炜，杨蒙蒙，等 . 面向无人驾驶的高精地图公开应用趋势研究［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2024 ， 49 （ 4 ）： 537 - 545 .

CHEN Huixian ， ZHANG Wei ， YANG Mengmeng ， et al . Open Application Trend of High Definition Map for Unmanned Driving ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2024 ， 49 （ 4 ）： 537 - 545 .

肖晓，胡挺，李巧霞，等 . 高精度地图对地理信息管理的变革需求研究［J］. 测绘地理信息， 2026 ， 51 （ 2 ）： 57 - 61 .

XIAO Xiao ， HU Ting ， LI Qiaoxia ， et al . Research on the Geographic Information Management Transformation Requirements of High-Precision Maps ［J］. Journal of Geomatics ， 2026 ， 51 （ 2 ）： 57 - 61 .

袁天洋，朱长青，陈会仙，等 . 面向OpenDRIVE格式高精地图的脆弱水印法［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2026 ， 51 （ 2 ）： 403 - 412 .

YUAN Tianyang ， ZHU Changqing ， CHEN Hui

xian ， et al . Fragile Watermarking Algorithm for High-Definition Map of OpenDRIVE Format ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2026 ， 51 （ 2 ）： 403 - 412 .

詹骄，郭迟，雷婷婷，等 . 自动驾驶地图的数据标准比较研究［J］. 中国图象图形学报， 2021 ， 26 （ 1 ）： 36 - 48 .

ZHAN Jiao ， GUO Chi ， LEI Tingting ， et al . Comparative Study on Data Standards of Autonomous Driving Map ［J］. Journal of Image and Graphics ， 2021 ， 26 （ 1 ）： 36 - 48 .

楼燕敏，刘阳，何曼丽 . “车路云一体化” 高精度地图安全应用的浙江探索与实践［J］. 测绘地理信息， 2026 ， 51 （ 2 ）： 127 - 131 .

LOU Yanmin ， LIU Yang ， HE Manli . Zhejiang's Exploration and Practice of Safety Applications in “Vehicle-Road-Cloud Integration” High-Precision Map ［J］. Journal of Geomatics ， 2026 ， 51 （ 2 ）： 127 - 131 .

汤任君，段竞哲，邓洪敏 . Logistic混沌序列和DES算法的图像加密方法［J］. 计算机应用， 2017 ， 37 （ S1 ）： 89 - 92 .

TANG Renjun ， DUAN Jingzhe ， DENG Hongmin . Image Encryption Algorithm Based on Logistic Chaotic Sequence and DES ［J］. Journal of Computer Applications ， 2017 ， 37 （ S1 ）： 89 - 92 .

闫乐乐，李辉 . 基于复合混沌序列的动态密钥AES加密算法［J］. 计算机科学， 2017 ， 44 （ 6 ）： 133 - 138 .

YAN Lele ， LI Hui . Dynamic Key AES Encryption Algorithm Based on Compound Chaotic Sequence ［J］. Computer Science ， 2017 ， 44 （ 6 ）： 133 - 138 .

耿建勇，鲁士文 . 基于XML加密规范的安全数据交换的实现［J］. 计算机应用与软件， 2005 ， 22 （ 2 ）： 99 - 101 .

GENG Jianyong ， LU Shiwen . Safe Data Exchange Based on XML Encryption ［J］. Computer Applications and Software ， 2005 ， 22 （ 2 ）： 99 - 101 .

刘永轩，董明，杨伯钢，等 . 高精度地图众源更新安全监管研究与路径探析［J］. 北京测绘， 2024 ， 38 （ 2 ）： 189 - 194 .

LIU Yongxuan ， DONG Ming ， YANG Bogang ， et al . Research and Path Analysis on Safety Supervision of Multi-source Update of High-Precision Map ［J］. Beijing Surveying and Mapping ， 2024 ， 38 （ 2 ）： 189 - 194 .

REN N ， ZHAO M ， ZHU C Q ， et al . Commutative Encryption and Watermarking Based on SVD for Secure GIS Vector Data ［J］. Earth Science Informatics ， 2021 ， 14 （ 4 ）： 2249 - 2263 .

WANG X L ， YAN H W ， ZHANG L M ， et al . An Encryption Algorithm for Vector Maps Based on the Gaussian Random and Haar Transform ［J］. Journal of Spatial Science ， 2023 ， 68 （ 2 ）： 303 - 318 .

Pham N G ， Kwon K R ， Lee S H ， et al . Selective Encryption Algorithm for Vector Map Using Geometric Objects in Frequency Domain ［J］. Journal of Korea Multimedia Society ， 2017 ， 20 （ 8 ）： 1312 - 1320 .

TAN T ， ZHANG L M ， ZHANG M W ， et al . Commutative Encryption and Watermarking Algorithm Based on Compound Chaotic Systems and Zero-Watermarking for Vector Map ［J］. Computers & Geosciences ， 2024 ， 184 ： 105530 .

REN N ， TONG D Y ， CUI H C ， et al . Congruence and Geometric Feature-Based Commutative Encryption-Watermarking Method for Vector Maps ［J］. Computers & Geosciences ， 2022 ， 159 ： 105009 .

LI Y ， ZHANG L M ， WANG X L ， et al . A Novel Invariant Based Commutative Encryption and Watermarking Algorithm for Vector Maps ［J］. ISPRS International Journal of Geo⁃Information ， 2021 ， 10 （ 11 ）： 718 .

CHEN J X ， ZHU Z L ， ZHANG L B ， et al . Exploiting Self⁃Adaptive Permutation⁃Diffusion and DNA Random Encoding for Secure and Efficient Image Encryption ［J］. Signal Processing ， 2018 ， 142 ： 340 - 353 .

ZHANG T S ， ZHU B B ， MA Y Q ， et al . A Novel Image Encryption Algorithm Based on Multiple Random DNA Coding and Annealing ［J ］. Electronics ， 2023 ， 12 （ 3 ）： 501 .

DONG H ， BAI E J ， JIANG X Q ， et al . Color Image Compression-Encryption Using Fractional-Order Hyperchaotic System and DNA Coding ［J］. IEEE Access ， 2020 ， 8 ： 163524 - 163540 .

SONG C Y ， QIAO Y L . A Novel Image Encryption Algorithm Based on DNA Encoding and Spatiotemporal Chaos ［J］. Entropy ， 2015 ， 17 （ 10 ）： 6954 - 6968 .

王小龙，张黎明，闫浩文，等 . 利用哈尔变换和高斯随机数进行矢量空间数据坐标加密［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2022 ， 47 （ 11 ）： 1946 - 1955 .

WANG Xiaolong ， ZHANG Liming ， YAN Haowen ， et al . A Coordinate Encryption Algorithm for Vector Spatial Data Using Haar Transform and Gaussian Random Number ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2022 ， 47 （ 11 ）： 1946 - 1955 .

吴柏燕，柳范硕，刘曦 . 一种矢量地图同态加密域可逆水印方法［J］. 地理科学， 2025 ， 45 （ 4 ）： 699 - 710 .

WU Baiyan ， LIU Fanshuo ， LIU Xi . A Reversible Watermarking Algorithm in Homomorphic Encrypted Domain for Vector Map Data ［J］. Geographical Science ， 2025 ， 45 （ 4 ）： 699 - 710 .

ALVAREZ G ， LI S J . Some Basic Cryptographic Requirements for Chaos-Based Cryptosystems ［J］. International Journal of Bifurcation and Chaos ， 2006 ， 16 （ 8 ）： 2129 - 2151 .

李安波，王海荣，周卫 . 基于二维混沌系统的矢量数字地图置乱加密［J］. 中国矿业大学学报， 2015 ， 44 （ 4 ）： 747 - 753 .

LI Anbo ， WANG Hairong ， ZHOU Wei . Scrambling Encryption of Vector Digital Map Based on 2D Chaos System ［J］. Journal of China University of Mining & Technology ， 2015 ， 44 （ 4 ）： 747 - 753 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Tectonic Geodesy： Research Advancements， Opportunities， and Challenges

Spatiotemporal Evolution and Explainable Analysis of Grassland Vulnerability in the Hohhot-Baotou-Ordos-Yulin Urban Agglomeration

A Review of GNSS Intentional Interference Detection Technologies for Mass-Market Intelligent Terminals： Research Status and Prospects

Intelligent Change Detection Method and Application Based on Wuhan-1 Satellite Imagery

A Framework for Evaluating Geospatial Cognitive Abilities of Multimodal Large Language Models for Brain-Inspired Spatial Intelligence

Related Author

No data

Related Institution

No data

AI问答

⁰