3维地理信息系统-HPC三维地质隐式建模-文库程序.doc

中 国 地 质 大 学 研究生课程论文封面 课程名称 三维地理信息系统 教师姓名 研究生姓名 研究生学号 研究生专业 软件工程 所在院系 信息工程学院 类别: A.博士 B.硕士 C.进修生 日期: 2015 年 12 月 5 日 评 语 对课程论文的评语: 平时成绩： 课程论文成绩： 总 成 绩： 评阅人签名： 注：1、无评阅人签名成绩无效； 2、必须用钢笔或圆珠笔批阅，用铅笔阅卷无效； 3、如有平时成绩，必须在上面评分表中标出，并计算入总成绩。 高性能计算在三维地质隐式建模中的应用 应用背景 随着地学信息化的发展，数学地质正向数字地质发展三维地质建模软件将是数字地质的精髓与核心三维地质建模是指采用适当的数据结构在计算机中建立能反映地质构造的形态和各要素之间关系以及地质体物理、化学属性空间分布等地质特征的数学模型现有的三维地质建模软件对各种地质体进行三维建模的过程一般是按照显式模拟的方法勘探工程数据绘制勘探线剖面，再在三维可视化环境下按剖面人机交互圈定地质界线并生成地质体三维模型。 随着三维可视化各种算法的发展与成熟，三维隐式建模方法将的采样数据通过空间插值来生成完备的样品数据，然后再通过三维曲面构建等算法自动生成三维可视化模型。相对显式模拟的地质体界线推断和交互式圈定，隐式模拟方法可省去烦琐的人工操作过程，生成三维模型高效且直观，便于对矿体进行概略性研究和进行储量的快速估算。 ——MPI、Hadoop、Spark，并对集群计算在三维地质隐式建模中的应用进行分析和对比。 三维地质隐式建模流程 隐式势场插值 隐式势场插值方法可以从离散分布的数据中建立三维地质模型，可以采用的数据有：地质图与数字地形模型、与地层相关的结构数据、钻孔数据、地质学家的经验插值。 由于地质数据有其特殊的特点，地学建模和矿产资源储量估算中以几何方法和空间统计方法在地学领域最为常用。如克立格(Kriging)法、距离反比加权法(inversedistance weighted)法、杨赤中滤波与推估法(Yang Chizhong estimation method) 和径向基人工神经网络(radial basis function,简称RBF)法等值面提取的经典算法被用于三维重建方面的相关研究此算法在三维空间规则数据场的基础上，每个体元进行处理，依次找出每个体元中所包含的等值面。当体元的八个顶点值都大于或都小于给定值时，体元的内部不存在等值面。只有在既包含大于c 的顶点也包含小于c 的顶点的体元内部才存在等值面。 移动立方体算法过程如下： 1）每次读出两张切片，形成一层Layer； 2）两张切片上下相对应的四个点构成一个立方体Cube； 3）依次从左至右，从前到后，顺序处理每一层中的Cube，抽取出各个Cube 的等值面，并从下到上逐步处理(n-1)层。 Compute Unified Device Architecture） 在高性能计算领域，GPU凭借远高于CPU的计算能力、较低的成本、非常高的内存带宽而广泛的运用于有密集计算的程序中。相比传统的CPU计算，GPU已经在很多的科学计算领域证明了其高效性。NVIDIA公司必威体育精装版的专用于科学计算的显卡TESLA K80的双精度性能将近3TeraFLOPS，内存总带宽高达480GB/s。 CUDA是显卡厂商NVIDIA推出的 CUDA并行计算主要解决以下几个方面的问题： 大规模矩阵的运算。由于获取地质源数据量的增大，地质数据进行反演计算的过程中会出现上万阶甚至更大的矩阵，这些矩阵的运算在CPU的程序中执行速度远低于GPU中的速度。 计算代码并行。当地质体生成的三维体元数据对精度的要求较高时会有大量的体元值需要重复的耗时计算，十分适合进行GPU的并行处理。在使用移动立方体法进行等值面追踪时，对每层数据的处理与其它层之间没有相互依赖，可以放在GPU的大量线程中进行处理。 隐式势场插值并行计算 克里格插值可以完全转换成矩阵之间的运算。以下是克里金插值的权值计算矩阵： 其中∑表示协方差矩阵，F表示基函数矩阵，λ表示权重，μ表示拉格朗日参数，σ表示数据点与克里格点的协方差向量，f 表示克里格点基函数向量。这样可以将插值的运算转变为计算线性方程组的问题。 CUDA Toolkit为C/C++程序员开发GPU程序提供了全面的开发环境，包含NVIDIA GPUs编译器，数学库，调试优化工具等。地质建模中的数学计算可以调用其中的数学库进行加速： cuBLAS(Basic Linear Algebra Subrouti