多核處理器環(huán)境下遙感數(shù)據(jù)處理的并行與串行算法的性能比較

扈小燕 劉培洵 陳順云 劉力強(qiáng) 馬 瑾 馬勝利

（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

衛(wèi)星遙感能夠提供（準(zhǔn)）實(shí)時(shí)地面信息，在地震研究中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。MODIS是搭載在Terra和Aqua兩顆衛(wèi)星上的重要的“圖譜合一”光學(xué)遙感觀測(cè)儀器。由于MODIS數(shù)據(jù)具有多頻段、高分辨率、高時(shí)效性、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)，使得MODIS數(shù)據(jù)對(duì)地球科學(xué)的綜合研究和對(duì)陸表、生物圈、固態(tài)地球、大氣和海洋的長(zhǎng)期觀測(cè)有著重要意義，在自然災(zāi)害的監(jiān)測(cè)和分析研究領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。

目前，每年可接收到MODIS數(shù)據(jù)約8 TB左右，且已有十余年的數(shù)據(jù)積累。而在構(gòu)造活動(dòng)或地震研究中，經(jīng)常需要考慮熱紅外輻射的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)演化（如數(shù)月、數(shù)年甚至十幾年），這就需要處理大量MODIS數(shù)據(jù)。MODIS數(shù)據(jù)的處理包括條帶噪聲消除、數(shù)據(jù)重疊現(xiàn)象去除、熱紅外波段亮溫反演、幾何糾正、影像檢測(cè)、地表溫/濕度反演等。MODIS數(shù)據(jù)處理的工作量很大，而且處理耗時(shí)長(zhǎng)。如何快速處理遙感影像，成為推動(dòng)衛(wèi)星遙感在地震研究中深入應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。

我們以MODIS數(shù)據(jù)投影為例，引入并行計(jì)算技術(shù)，對(duì)遙感數(shù)據(jù)并行與串行處理的性能進(jìn)行比較。完整的MODIS 1B級(jí)數(shù)據(jù)投影的過(guò)程包括：讀取數(shù)據(jù)文件（HDF格式）、創(chuàng)建調(diào)色板、投影變換、生成結(jié)果文件。

讀取數(shù)據(jù)文件：根據(jù)MODIS數(shù)據(jù)特性，編寫(xiě)MODIS數(shù)據(jù)訪問(wèn)模塊，可以根據(jù)用戶的需要，在讀取數(shù)據(jù)的同時(shí)完成插值運(yùn)算。

創(chuàng)建調(diào)色板：根據(jù)用戶選定的數(shù)據(jù)集生成調(diào)色板，使生成的結(jié)果圖像的顏色更均勻。

投影變換：實(shí)現(xiàn)4種常用地圖投影方式，包括正軸等角圓錐投影、正軸等面積圓錐投影、墨卡托投影、高斯-克呂格投影。可根據(jù)不同的使用目的靈活選用。投影后的數(shù)據(jù)消除了“雙眼皮”現(xiàn)象，即解決了不同的掃描條帶在邊界區(qū)域重疊的情況。

生成結(jié)果文件：將經(jīng)過(guò)投影和假彩色合成的結(jié)果數(shù)據(jù)集按照GeoTiff文件格式寫(xiě)入文件，生成的圖像文件包含了地理坐標(biāo)信息和投影信息，不僅能用一般的圖像軟件瀏覽，還能夠在envi、erdas軟件中直接使用。

目前比較常見(jiàn)的是使用MPI和OpenMP來(lái)實(shí)現(xiàn)并行程序設(shè)計(jì)。MPI（Message Passing Interface）一般被應(yīng)用于計(jì)算機(jī)集群，對(duì)于單臺(tái)多核計(jì)算機(jī)，OpenMP則是較好的選擇。OpenMP（Open Multi-Processing）是一套編譯指導(dǎo)語(yǔ)句，幫助編譯器生成利用SMP(symmetrical multiprocessor)系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)處理器的多線程代碼。在多核計(jì)算機(jī)上利用OpenMP對(duì)MODIS數(shù)據(jù)處理并行化，可以提高處理速度。

在對(duì)MODIS數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)插值、計(jì)算等工作，這些工作多是用循環(huán)語(yǔ)句來(lái)完成的，因此在編寫(xiě)應(yīng)用程序時(shí)在大量單次迭代之間不存在相關(guān)性的循環(huán)操作處應(yīng)用OpenMP，實(shí)現(xiàn)循環(huán)的多線程并行執(zhí)行。

結(jié)果表明，就單臺(tái)4核CPU臺(tái)式計(jì)算機(jī)而言，應(yīng)用程序以串行方式運(yùn)行時(shí)，CPU的使用率僅為25%，而利用OpenMP技術(shù)可使CPU的使用率達(dá)到100%，處理速度提高了400%。值得注意的是，數(shù)據(jù)處理速度快慢還取決于處理任務(wù)的并行度和系統(tǒng)性能，I/O速度和磁盤本身的性能，都是提高計(jì)算速度的瓶頸。