大规模GNSS数据的分布式处理与实现

利用分布式计算的高性能计算、传输和存储能力,解决常规集中式大规模GNSS数据处理中观测站规模受限和时效性差的问题。讨论了GNSS数据的分布式处理方法、算法设计、处理策略和对已有软件的利用,并对GNSS数据进行了分布式计算试验,试验结果表明,基线解算中,8个节点的加速比达到了6.39;网平差计算中,4个节点的平均加速比达到了3.04。     

GPU-CA模型下的溃坝洪水演进实时模拟与分析

基于元胞自动机(CA)的局部并行计算特性和统一计算设备架构(CUDA)并行计算架构,提出了GPU-CA的溃坝洪水演进计算模型,重点探讨了溃坝洪水演进元胞自动机模型、GPU模型映射、计算优化、CPU/GPU协同的溃坝洪水演进模拟与分析等关键问题,研发了原型系统,并选择了案例进行初步试验。试验结果表明,在保证溃坝洪水演进模拟结果有效性的情况下,与基于CPU-CA串行计算模式相比,基于GPU-CA的溃坝洪水演进模型计算可提高计算效率,加速比随着元胞格网分辨率的提升而增加,当元胞格网的大小为10m时,模型计算效率的加速比可以达到15.9倍,可支持实时溃坝洪水演进模拟分析与风险评估。     

并行化多流向策略的栅格河网提取算法

流域栅格河网提取是数字地形分析的一个重要应用。为减少数字高程模型(DEM)预处理而产生的伪河道及平行河道,提出基于并行化多流向策略的栅格河网提取算法。通过水流传输矩阵模拟水量的自然流动过程,可直接应用于原始DEM。从河网空间形态和算法运行效率两方面与串行MFD算法、R&N算法及D8算法进行对比,结果表明,多流向策略得到的河网与实际地形形态更加吻合,使用并行策略后,算法的效率比也较其他算法有明显提升。     

论地理规律对流域过程模拟并行计算的指导作用

流域过程模拟是地理学研究和流域科学管理的有效工具。在应用需求的推动下,长时段、高空间分辨率的多过程综合模拟逐渐兴起,流域过程模拟所需的计算量越来越大,亟需借助并行计算技术来提高效率。流域过程模拟并行计算的现有研究,大多为针对特定模型的个例研究,缺乏对指导各类流域过程模型并行计算的共性思路和原则进行讨论和梳理。首先,对可指导流域过程模拟并行计算的地理规律进行了分析,从空间、子过程和时间3 个角度,探讨了空间等级层次结构、空间相互作用、子过程间依赖关系、时空动态变化等地理规律,对流域过程模拟并行计算的指导作用;然后,根据地理规律在并行计算中所发挥作用和适用范围的不同对其分类;最后,结合2 个实例,对地理规律的流域过程模拟并行计算进行了分析和验证,旨在对流域过程模拟并行计算理论和方法的发展与应用提供借鉴。     

栅格地理计算并行算子对区域计算算法并行化的可用性分析——以多流向算法为例

栅格地理计算并行编程库的研发有助于实现对栅格地理计算算法的并行化。在现有的研究中,Qin 等(2014)设计并初步研发的栅格地理计算并行算子(PaRGO),在设计思路上能较好地隐藏与并行编程软硬件环境相关的复杂细节,实现栅格地理计算通用步骤的并行化,且较其他类似思路的编程库而言,PaRGO能兼容多种常用的并行计算平台,具有明显优势。但PaRGO目前在设计上仅直接支持本地、邻域及全局计算特点的栅格地理计算算法并行化,对于更为复杂的区域计算特点算法并行化的支持能力尚未探究。对此,本文选取栅格数字地形分析中具有区域计算特点、递归设计的多流向算法为算例,利用PaRGO进行并行化设计、实现及测试,以计算时间、相对加速比和相对并行效率为定量指标。通过可运行性和并行性能进行评价,结果表明:PaRGO虽然不能直接支持对递归的多流向算法进行并行化,但在根据多流向计算的原理将该递归算法转变为非递归的设计之后,可将算法由原区域计算改造为邻域迭代计算,就能利用PaRGO 实现并行化,并得到较好的并行效果。在集群环境下,MPI版本并行程序的并行效果优于MPI/OpenMP混合版本。     

基于DOS的实时多任务网络化综合观测系统的设计与实现

随着观测技术的发展,将观测技术与传感技术、计算机、通信和网络技术有机的结合,来实现观测技术的综合化与网络化,已经成为一种趋势;DOS系统以其内核小、操作简单、技术成熟、对硬件底层直接操作及其稳定性等优点,被广泛应用于一些工业控制领域;分析在单任务嵌入式DOS系统工控机上实现实时多任务的方法,根据实际应用的需求,通过对各个模块进行适当的定制、裁减与技术集成,设计与实现了可靠的、实时的、安全的、网络化与综合化观测系统.     

基于OpenMP的二维有限元-离散元并行分析方法

Munjiza提出的有限元-离散元耦合分析方法（FEDM）是分析岩石破裂过程的一种十分有效的方法。然而,为了克服网格依赖性,需要将岩体剖分成非常细小的三角形单元,且三角形单元之间不共用节点,导致问题的变量数目巨大,计算非常耗时。为了提高计算效率,基于OpenMP(open multi-processing)多核并行技术实现了有限元-离散元法的并行化,克服了并行化过程中存在的数据竞争,实现了并行程序的负载平衡。提出了一套将串行程序并行化的策略,即首先确定串行程序的热点区域,然后尽可能地将热点区域并行化,尽量使用私有变量来规避数据竞争;若各线程间仍存在数据竞争,可采用动态链表数据结构,先将数据存于动态链表中,最后在并行区域外,将存于各个动态链表中的数据进行合并,这样可以规避数据竞争,同时避免了使用临界区或锁,从而提高了程序的并行化效果。开发了并行版本FDEM程序,将所提出的方法用于大规模工程问题的求解,最后通过陡崖塌落的算例说明该方法的有效性。     

计算密集型空间信息服务技术实现架构研究

OGC(OpenGISConsortium)组织所提出的空间信息服务框架中包含多种需要消耗大量计算资源的计算密集型服务,如海量空间信息的存储与获取服务、影像处理服务等,但该组织并未对这类服务的具体实现方式及技术作出规定和说明。针对这类计算密集型空间信息服务,文章从技术层面研究了基于PC集群并行计算环境的计算密集型空间信息服务的实现方法及技术架构,为研究开发高性能的空间信息服务进行了探索。     

面向数据传输的地理栅格数据快速压缩方法

随着对地观测技术的高速发展,高分辨率地理栅格数据已被广泛应用于地貌、环境、水文等领域,传输与存储海量数据亟需通过数据压缩来解决有限信道容量的制约。本文分析了地理栅格数据特征,并基于数据保真性和压缩即时性原则,提出了融合转换压缩和编码压缩的地理栅格数据两阶段压缩方法,并从精度和效率2个视角构建了两阶段压缩方法的评价方法。利用不同大小的规则格网DEM数据,在集群系统上对两阶段压缩方法的数据保真性和压缩性能进行了测试。实验结果表明,本文构建的两阶段压缩方法在数值和地表形态上均有较好的精度,数据保真性高。同时,其压缩率一般在50%以上,解/压速率达到实时层次,能够显著地减少数据传输时间消耗,提高网络传输效率。两阶段压缩方法具有较好的普适性,可为高性能地学并行计算等领域提供技术支撑。     

分布式水文模型的并行计算研究进展

大流域、高分辨率、多过程耦合的分布式水文模拟计算量巨大,传统串行计算技术不能满足其对计算能力的需求,因此需要借助于并行计算的支持。本文首先从空间、时间和子过程三个角度对分布式水文模型的可并行性进行了分析,指出空间分解的方式是分布式水文模型并行计算的首选方式,并从空间分解的角度对水文子过程计算方法和分布式水文模型进行了分类。然后对分布式水文模型的并行计算研究现状进行了总结。其中,在空间分解方式的并行计算方面,现有研究大多以子流域作为并行计算的基本调度单元;在时间角度的并行计算方面,有学者对时空域双重离散的并行计算方法进行了初步研究。最后,从并行算法设计、流域系统综合模拟的并行计算框架和支持并行计算的高性能数据读写方法3个方面讨论了当前存在的关键问题和未来的发展方向。