面向并行数字地形分析的快速复算方法研究

摘要

随着空间数据分辨率及数据规模的快速增加，传统串行计算方式已经不能满足高性能地学和生产应用等方面的需求，并行计算的出现可以有效解决串行计算面临的问题，将并行计算和数字地形分析相结合已成为地学界的研究热点之一。一方面，并行计算的发展为用户提供了强大的数据计算能力，提高了资源的利用率。另一方面，并行计算的应用极大地促进了地学研究和工程实践的发展。然而，多数研究的重点是考虑地形分析算法的并行性，很少涉及有关并行数字地形分析中的容错问题。针对并行数字地形分析的特点，如何恰当的引入容错机制来提高DEM数据计算中的稳定性和可靠性，是高性能地学领域的研究热点和难点。
　　首先，本文针对数字地形分析的数据密集型和计算密集型的特征，并结合当前并行计算平台的特点，提出构建面向并行数字地形分析的数据检错方法。该方法采用MPI编程模型和OpenMP编程模型结合的混合模式实现对DEM计算结果的检错。通过有效的数据划分策略，本文利用并行化方式进行数据的计算和检错，不仅节约资源，而且还降低了整体开销。本文又提出一种改进方式的数据检错方法，将数据检测与计算同步加快检错的效率。
　　其次，为了保证并行数字地形分析的可靠性和结果的正确性，本文在检错和数据划分的基础上，提出了一种新的并行计算容错方法——快速复算方法。该方法具有快速地错误恢复的能力，在发生数据计算错误时，所有空闲进程对原始数据块再次拆分计算。对原始数据块再进行逻辑划分，并分逻辑块保存计算结果。一旦逻辑块计算完成，将其结果发送给比较现场进行比较，同时对该数据块的计算继续进行，使得复算和计算同步进行，从而提高快速恢复的效率。
　　最后，本文实现了快速复算方法，通过坡度算法实验验证了该方法的性能。不仅比常用的容错技术在平均执行时间和系统资源消耗上具有优越性，而且可以高效地解决并行数字地形分析中计算数据检错与恢复问题。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 检测技术

1．2．2 容错技术

1．3 课题的提出

1．4 论文的主要工作及创新

1．4．1 主要工作

1．4．2 创新之处

1．5 论文的结构

第2章 并行数字地形分析的容错技术综述

2．1 并行计算

2．1．1 概述

2．1．2 并行算法

2．1．3 并行编程模型

2．1．4 并行体系的结构分类

2．2 并行数字地形分析

2．2．1 数字地形分析的并行化

2．2．2 DTA与DEM的基本内容

2．2．3 DEM结构模型

2．3 并行领域中的容错技术分析

2．3．1 概述

2．3．2 检查点技术

2．3．3 冗余计算技术

2．3．4 MPI容错技术

2．3．5 基于算法容错

2．3．6 并行复算

2．4 本章小结

第3章 面向并行数字地形分析的数据检错方法

3．1 快速复算框架

3．2 基于DEM数据的并行化检测分析

3．2．1 DEM数据误差分析

3．2．2 冗余检测策略分析

3．3 数据划分与计算

3．3．1 划分约束

3．3．2 划分方式

3．3．3 数据计算

3．4 构建数据检错方法

3．4．1 相关概念及定义

3．4．2 快速数据检错方法

3．4．3 改进数据检错方法

3．5 本章小结

第4章 并行数字地形分析中的快速复箅方法

4．1 快速复算方法

4．1．1 相关概念及定义

4．1．2 错误产生及数据再划分

4．1．3 快速复算因子

4．2 数据块中关键点的设置

4．2．1 关键点的选取与数量

4．2．2 关键点的保存

4．3 改进快速复算方法

4．4 本章小结

第5章 实验与分析

5．1 实验方案

5．1．1 实验环境与实验数据

5．1．2 实验设计

5．2 实验结果与分析

5．2．1 数据检错实验结果与分析

5．2．2 快速复算实验结果与分析

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢