地球深部探測計劃中地學軟件研發關鍵技術

于 平，張 琦，肖 麗

吉林大學地球探測科學與技術學院，長春 130026

0 引言

我國地域遼闊，礦產和油氣資源豐富，但是地質條件復雜、地質災害頻發，在與大自然索利避害博弈的過程中，需要深化認識海陸地殼和巖石圈的組成、結構和動力學演化過程，提升地球科學發展水平。然而，較之其他空間和入海工程計劃，入地計劃總體進展緩慢，并面臨著一系列挑戰[1-2]。

近20年來，信息科學技術的迅猛發展：帶動了高新技術行業的全面發展，尤其是材料技術、制造技術、電子技術、通信技術、空間技術等相關領域的發展；推動了探測裝備集成技術全面發展，從而極大提高了深部探測儀器裝備的性能、質量和應用效率，使其在全面揭示地球奧秘過程中起著決定性作用；也促進了地球科學研究方向從觀測描述與推論結合的模式迅速走向數據處理、數值分析與模擬、時空演化趨勢預測等量化型研究模式，擴大了認知地球的視角和能力[3]。目前，了解地球深部信息的主要途徑是通過獲取和分析地球重力場、磁力場、電磁場、地溫場、放射性能譜、光波和地震波等地球物理現象以及深部科學鉆探帶來的實物驗證數據，形成認知地球深部結構和演化規律的傳統探測技術方法組合。因此，軟件技術發展將面對來自六大類探測技術的數據和信息：主動源深地震探測剖面及數據處理技術，包括反射、折射以及反射與折射聯合探測技術；被動源寬頻地震觀測與數據處理技術；被動源大地電磁測深剖面觀測與處理技術；無源重力和磁場大面積探測與處理技術；連續介質大尺度區域成像技術；連接地表到深部的深斷面綜合解釋技術[4-6]。

以建立三維地質模型為核心目標的綜合研究一體化集成分析平臺，作為深部探測綜合信息集成與分析的重要技術支撐，將相關聯的多類勘探方法、海量數據、多種處理和解釋技術集成到一起建立高效率的工作流程，減少勘探風險，是當代軟件研發的方向[7-8]。目前，盡管已經有若干針對深部探測單項任務的處理流程和成功案例，但是還未見到專門針對深部探測整體技術特點和需求的類似軟件平臺，尤其是多領域專家通過數據共享實現高效率合作的統一平臺。但與此相接近的主要針對石油行業勘探開發管理特點的地球物理勘探軟件系統，已成為研發時需要參考的主要對象[9-13]。

在SinoProbe項目研究階段，吉林大學移動平臺探測技術研發中心軟件項目研發組通過 “紅藍軍”(引進和自主研發平臺)兩條路線同時推進計劃，以期完善高端平臺功能聯合、強化研發和應用兩類人員的系統化訓練、提高經驗積累的效率、加速跟進國外軟件發展步伐，為下一階段研發奠定堅實基礎。

1 總體目標

本項研究瞄準國際最先進軟件技術的發展方向，針對地殼深部探測信息特點，面向地質數字化模型目標，將相關聯的勘探數據處理和解釋方法、海量數據、信息管理、可視化技術、多領域專家分析技術融合等工作模塊集成到“綜合研究一體化”軟件平臺上，以建立一個具有良好的可移植性、可擴展性和自主知識產權的高性能軟件平臺(圖1)，實現高效的工作流程，減少勘探和決策風險。

其具體目標為：針對深探數據的綜合解釋應用特點，研發具有跨操作平臺功能、數據融合功能、靈活的插件擴充功能、數據共享管理功能以及開放與商業操作相結合功能的軟件平臺；針對不同領域的使用對象，設計多選項的綜合處理解釋預定工作流程以及熟練人員干預下的高級選項工作流程；針對開放環境研發潮流，建立和完善平臺使用和數據共享機制，將其研發成果及時集成到平臺的開放環境中，規范面向特定目標聯合處理的功能和指標評估技術過程。

應用多源信息主體數據庫建設技術，可解決深探多源數據的融合和建庫問題及深探數據空間管理問題，建立深探數據管理中心；通過磁盤陣列和網絡數據傳輸技術，可解決海量深探數據存儲和共享問題，最終實現探測數據的集成和管理；采用集群計算技術、云計算技術、多核技術以及GPU等并行計算技術，實現海量深探數據的高性能計算與可視化，可實現深探數據3D立體動態交互顯示。

圖1 集多參數和多領域專家綜合分析于一體的工作平臺Fig.1 Work platform comprises multi-parameters and experts comprehensive analysis from multi-fields

2 關鍵技術

經過幾十年的發展，我國對專業地學數據處理和解釋技術，以及高端軟件產品研發已經積累了良好的基礎；因此，實現制定目標的關鍵技術是如何搭建可支撐該專業技術應用的一體化軟件基礎平臺?；A平臺的搭建將以新一代高性能計算軟硬件支撐平臺為軟件支撐體系構建形成。

2.1 數據高性能處理

2.1.1 多核/眾核CPU及GPU的異構并行計算技術

隨著眾核GPU(graphics processing unit，圖形處理器)計算技術的發展和應用，CPU+GPU混合加速為特征的異構并行計算系統將成為未來高性能計算的主流。無論是國外還是國內，代表當前最高計算水平的千萬億次計算機系統都采用了這種異構并行計算系統架構。大規模異構并行計算技術的發展為地球勘探新技術的應用提供了有力支撐，也為深探數據處理和可視化應用提供了良好的基礎。構建異構并行計算系統上的多層次并行計算軟件開發框架和編程工具，促進大規模并行計算應用軟件的開發與移植，是實現異構并行計算系統深探數據處理和可視化應用的關鍵。

因此，針對地球深探數據處理的需求，開發出一套適應異構并行計算體系結構的并行計算平臺和高效的并行數據處理算法，可以提高深探數據處理和可視化軟件并行效率、有效利用高性能計算平臺的運算能力、降低地學并行化軟件的開發難度。

自然沉降法是依靠重力沉降達到凈化油漿的目的，其方法具有設備簡單、投入成本低、操作簡便等特點。但因催化劑粉末的成分為硅酸鋁晶體（Al2O3-SiO2），其在催化裂化裝置中磨損或受熱破裂，形成粒徑多為20μm以下的細小粉末，高度分散在油漿中，僅靠重力沉降難度大、耗時、脫除率低，因此該法已被淘汰。

2.1.2 深探數據云存儲技術

在數據處理與三維可視化等領域，一方面，用于計算的三角面片數據量級已經達到千萬乃至數十億，處理數據可達到TB乃至PB數量級，其針對地球深部大型數據處理與三維顯示的地學軟件平臺應具有超大規模數據存儲能力，能夠管理PB級數據存儲資源，支持用戶對大規模數據的高速訪問；另一方面，地球深部數據具有類型多樣化的特點，包括屬性數據、矢量數據和柵格數據等，根據“時間、空間和專題屬性”的不同，地學數據在數據類型和數據結構上也是紛繁多樣，不同的應用程序或應用場景需要使用不同的數據類型，各數據類型也可能采用不同的數據組織方式。此外，如何有效合理地組織和管理多種地學數據也是亟待解決的問題。

2.1.3 深探數據綜合處理云計算平臺

現階段的新型云計算平臺整合了多種計算設備、存儲設備和網絡互連設備等混合型硬件資源。這種混合型云計算平臺能夠有效滿足不同類型應用程序對計算資源的需求，同時也能有效服務于大規模復雜應用程序對多種計算資源的需求。

高性能計算平臺從傳統的單核、多核CPU資源，發展到現在的多核CPU、眾核GPU和硬件編程卡(FPGA)等多種計算資源相結合的混合型云計算平臺。近些年，高性能GPU計算技術以其眾核處理和高性價比的特點逐漸在高性能計算領域嶄露頭腳。GPU通常具有數千個處理單元(多核CPU具有數個到數十個處理單元)，能夠同時處理數千個運算，具有強大的并行算術運算能力。但是GPU不具備CPU的邏輯運算部件和控制器，無法有效地完成邏輯判斷指令和復雜型運算指令；另外，CPU訪問存儲設備更方便和高效。因此，現有的高性能云計算系統通常采用CPU、GPU混合型體系結構及高性能GPU處理器，用于計算密集型應用處理采用多核CPU處理器用于整體控制和數據訪問。這樣的體系結構設計一方面能夠適用于高性能數據處理，另一方面也能夠滿足不同應用程序的計算需求。

2.2 數據可視化

本項研究基于深探數據高性能處理技術的軟硬件環境，研發深探數據的三維可視化平臺，重點研究大規模數據的可視化技術、角點網格的建模技術、細節層次技術、并行繪制技術以及體繪制技術，以實現大規模深探數據的可交互建模、繪制與顯示。

三維可視化是描繪和理解地質現象的一種重要手段，是地質數據的一種形象表示。它能夠利用大量數據，檢查資料的連續性，發現和提出有用異常，為分析、理解數據提供有用的工具(圖2)。深探數據三維可視化的目的是輔助人們對該地區地質體形成和發展有更深刻的認識，滿足對復雜地質空間的三維展示的要求。

本研究針對多源大規模數據的三維可視化技術，利用空間跳躍和延遲渲染等技術實現軟件加速；利用場景管理技術對三維數據場進行數據結構管理，以實現大規模數據的高效存儲和索引；研發并行實現和可編程的GPU加速技術，實現硬件加速；解決面繪制與體繪制相結合的繪制技術，既實現大規模數據的粗略快速繪制，又實現局部感興趣區域的精細高質量繪制。

圖2 核心支撐技術及應用軟件界面Fig.2 Interface of application software and key support technology

2.2.2 角點網格的建模技術

角點網格是一種特殊的結構化網格，其走向可以靈活地適應地質對象的走向，克服了正交網格的不靈活性，從而可以方便地對褶皺、重疊、斷裂等地質對象進行建模。角點網格的建模與構造，可以實現褶皺、重疊、斷裂等地質對象的高精度角點網格建模。角點網格的網格步長可變，垂向連接頂底網格點的網格面可以是傾斜的，能夠避免地質體數據平坦時的數據冗余，并能夠靈活地表達復雜地質對象，適合描述地質體數據。

2.2.3 細節層次技術

利用體模型顯示簡化技術，可以實現體數據的動態交互。通過細節層次技術，為地學數據建立多個詳細程度不同的模型。在進行體繪制時，基于數據量和空間對象重要性評價，進行細節模型的適當選擇，從而提高顯示速度和視覺效果。

2.2.4 并行繪制技術

針對不同的數據類型和組織結構，采用并行繪制平臺上的大規模數據場的并行繪制技術，利用場景組織結構圖和面向對象方法，設計相適應的存儲方式和處理方法，以高效快速地實現復雜場景繪制。

2.2.5 體繪制技術

研究針對不同繪制對象的三維體數據數學表達，可以減小預計算的時間和存儲開銷，并有效地描述三維體數據的細節；研究基于散射級數的體數據層次細節表達和基于頻域分析的自適應采樣和光照重構算法，可以優化計算資源的使用。

2.2.6 交互式繪制技術

通過挖掘問題的內在并行性和新型圖形處理器的并行計算能力、研究新的圖形硬件架構下的交互式繪制引擎技術，可獲得更多的可用計算資源；研究深探數據可視化交互技術，可實現數據的局部修改與動態繪制。

2.2.7 大規模數據顯示

目前，針對大規模場景渲染的超大屏幕拼接墻顯示技術主要有兩種：一種是傳統的大屏幕顯示墻硬拼接技術；另一種是采用邊緣融合技術的投影機無縫拼接技術。通過內置無縫拼接技術的高端投影機或者通過外置無縫拼接處理器均可實現超大幅畫面的無縫融合。本研究所依托的SinoProbe項目主要開展投影拼接、邊緣融合技術的研究，實現高清晰度、高分辨率、大畫面的數據顯示，可用于大規模深探數據的全景和細節展示。

3 技術路線

在基礎層設計上，借鑒國外研發商建立在OpenGL 之上的Open InventorTM的成功發展策略和路線，利用部分引進的現代軟件技術以及綜合性大學計算機科學與技術學院和軟件學院的傳統優勢力量，研發出新一代適合于領域應用特點的專項支撐技術。通過軟硬件環境的有機融合，本項研究主要突出海量數據管理、網絡操作管理、不同數據類融合等深探項目需求特點。

在應用層設計上，在部分引進國外可提供的應用層面技術基礎上，宏觀了解和掌握應用設計的理念和思想，探索背后的核心設計框架和研發技術。通過設計多模型、多節點、多方案等一系列測試評估程序，掌握關鍵參數，形成自主研發過程中需要的指標內容，規范化與國際對接的設計標準，確保研發出的各階段成果嚴格符合統一的國際標準要求。

在檢測環節上，針對實測數據和相關信息，設計工作標準和流程，保障學術思想、工程理念和實用性有機的融為一體。建立專門小組，建立與實用數據相關聯的理論模型組合，通過分解和聯合的各種檢測手段，為各階段研發產品檢測提供多重依據。通過不斷完善檢測內容，達到提高質量監控效率，提高軟件產品研發的進程控制，確實保障最終產品的質量要求。

4 結語

地球物理勘探軟件經過20多年的發展，優勝劣汰，業已形成國際高端軟件應用格局。高端軟件的發展作為一項重要的技術支撐，推動了各類地球物理勘探技術的快速發展，實現了“以三維地質模型為中心的綜合研究一體化集成分析平臺”；其將相關聯的多類勘探方法、海量數據、多種處理和解釋技術高效地集成在一起，形成當代軟件發展方向。在國內應用軟件發展過程中，缺乏多元數據處理、分析、集成和管理一體化的工作平臺，尤其是缺乏在高科技快速移動平臺探測條件下海量數據處理和信息提取的技術，從而導致各類數據所包涵的信息沒能得到充分利用，嚴重影響了分析質量和效果。因此，根據國情，走引進和研發的并行路線，完善彼此間促進過程，加快研發處理、分析、集成和管理一體化的工作平臺尤為必要。

[1] 董樹文，李廷棟. SinoProbe：中國深部探測實驗[J]．地質學報，2009，83(7)：895-909.

Dong Shuwen, Li Tingdong. SinoProbe：The Exploration of the Deep Interior Beneath the Chinese Continent[J]. Acta Geologica Sinica, 2009，83(7)：895-909.

[2] 董樹文，李廷棟，高銳，等. 地球深部探測國際進展與我國現狀綜述[J]．地質學報，2010, 84(6):743-769.

Dong Shuwen, Li Tingdong, Gao Rui, et al. International Progress in Probing the Earth’s Lithosphere and Deep Interior:A review[J].Acta Geologica Sinica,2010, 84(6):743-769.

[3] 黃大年，底青云，郭子祺，等. 地球深部探測儀器裝備技術原理及應用[M].北京：科學出版社，2017.

Huang Danian, Di Qingyun, Guo Ziqi, et al. Theory and Application of Instruments and Technologies of Deep Exploration[M]. Beijing: Science Press,2017.

[4] 黃大年，于平，底青云，等. 地球深部探測關鍵技術裝備研發現狀及趨勢[J].吉林大學學報(地球科學版)，2012，42(5)：1485-1496.

Huang Danian, Yu Ping, Di Qingyun, et al. Development of Key Instruments and Technologies of Deep Exploration Today and Tomorrow[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition),2012，42(5)：1485-1496.

[5] 王海燕，高銳，盧占武，等. 深地震反射剖面揭露大陸巖石圈精細結構[J]．地質學報，2010, 84(6):818-839.

Wang Haiyan, Gao Rui, Lu Zhanwu, et al. Fine Structure of the Continental Lithosphere Circle Revealed by Deep Seismic Reflection Profile[J]. Acta Geologica Sinica, 2010, 84(6):818-839.

[6] Clowes R M. LITHOPROBE: An Integrated App-roach to Studies of Crustal Evolution[J]. Geotimes, 1992, 37(8):12-14

[7] 魏曉輝, 鄒磊, 李洪亮. 基于優化的同構子圖搜索的虛擬網絡映射算法[J]. 吉林大學學報(工學版)，2013,43 (1): 165-171.

Wei Xiaohui, Zou Lei, Li Hongliang. Virtual Network Embedding Algorithm Based on Improved Sub-Graph Isomorphism Search[J]. Journal of Jilin University (Engineering Science Edition),2013,43 (1): 165-171.

[8]Li Hongliang, Wei Xiaohui, Wu Qing，et al. Map Reduce Delay Scheduling with Deadline Constraint[J]. Journal of Concurrency and Computation: Practice and Experience, 2013.

[9] Gao Zhanheng, Yu Zeyun, Pang Xiaoli. A Compact Shape Descriptor for Triangular Surface Meshes[J]. Computer：Aided Design,2014,53:62-69.

[10] Bott M H P. The Use of Rapid Digital Computing Methods for Direct Gravity Interpretation of Sedimentary Basins[J]. Geophysical Journal Royal Astronomical Society, 1960, 3:63-67.

[11] 馬國慶，黃大年，于平，等. 改進的均衡濾波器在位場數據邊界識別中的應用[J]．地球物理學報，2012,55(12):4288-4295.

Ma Guoqing, Huang Danian, Yu Ping, et al. Application of Improving Balancing Filter to Edge Identification of Potential Field Data[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2012, 55(12): 4288-4295.

[12] 馬國慶，杜曉娟，李麗麗. 利用水平與垂直導數的相關系數進行位場數據的邊界識別[J]. 吉林大學學報(地球科學版), 2011, 41(1): 345-348.

Ma Guoqing, Du Xiaojuan, Li Lili. Edge Detection of Potential Field Data Using Correlation Coefficients of Horizontal and Vertical Derivatives[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition),2011, 41(1): 345-348.

[13] 翁愛華, 李斯睿, 楊悅，等. 磁電法基本原理、發展現狀及前景展望[J]. 吉林大學學報(地球科學版), 2017, 47(6): 1838-1849.

Weng Aihua, Li Sirui, Yang Yue, et al. Basic Principle, Current Status and Prospect of Magnetometric Resistivity[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition), 2017, 47(6): 1838-1849.