基于单机多核的网格DEM数字流域并行分析

发布时间：2017-05-27 05:23

  本文关键词：基于单机多核的网格DEM数字流域并行分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：流域分析技术是使用数字化手段将采集的地形高程数据等信息进行科学分类与处理,在计算机的操作下实现地表流域分析的模拟,是促使人们不断了解地理和预测地形变化的有效方法。并行计算技术是相对串行计算技术而言的一种计算形式,采取特定的程序设计与数据处理来实现提高处理问题效率的计算能力,随着科技的进步与家庭计算机的普及和应用,多核硬件配置的计算机变得越来越常见,计算机硬件资源能否被充分使用就像人类尝试对现有大脑更多脑细胞的开发一样,具有十分深刻的研究意义和价值。本文分析了格网DEM数据在流域分析中的使用,高分辨率的格网DEM数据在流域计算中的应用,对流域分析的各个步骤进行了较深入研究,总结流域分析算法,并针对串行流域分析的关键技术提出了并行流域分析的想法,设计程序尝试实现DEM数据下的并行流域算法,借助Open MP技术尝试实现在多核计算机上展开流域分析的应用。主要研究成果为以下几个方面:(1)对串行算法进行数字流域分析的方法和关键算法进行了深入分析,总结了多种现存的串行流域分析算法的优缺点,面对多核、大内外存储的先进PC机出现,在单机多核环境下开发数字流域并行分析算法是十分必要的。(2)在程序算法上的并行化研究过程中,目前研究较为广泛的并行化框架包括面向共享内存下多核并行的Open MP框架和TBB框架,以及面向消息传递模型中进程并行的MPI框架,在多核计算设计中尝试对栅格DEM数据的并行应用还不是很多,本文研究的重点是面向多线程并行的Open MP模型在数字流域DEM数据分析中的应用,提出了流域分析并行化的设计方案。(3)对格网DEM流域分析主要算法结构和可并行性进行了较深入分析,并给出了不同算法的并行化策略及代码实现。(4)以赣江流域的DEM数据为例,对并行分析算法进行了测试,从实验结果看,并行分析算效率较串行算法高,从而表明了多核环境下数字流域分析算法并行化的可行性。
【关键词】：并行计算 DEM 流域计算 单机多核 OpenMP
【学位授予单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P208;P209
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-19
• 1.1 论文研究的背景及意义10-12
• 1.1.1 研究背景10-11
• 1.1.2 研究意义11-12
• 1.2 论文研究的现状12-15
• 1.2.1 国外研究现状12-14
• 1.2.2 国内研究现状14-15
• 1.3 论文研究的内容及技术路线15-17
• 1.3.1 论文研究的内容15
• 1.3.2 论文研究的技术路线15-17
• 1.4 论文的组织结构17-19
• 第二章 数字流域串行分析算法结构及其可并行性分析19-29
• 2.1 格网DEM数字流域分析原理19-21
• 2.1.1 格网DEM数据19
• 2.1.2 无洼地DEM矩阵19
• 2.1.3 流向计算19-20
• 2.1.4 流量汇算20
• 2.1.5 河网生成20-21
• 2.2 格网DEM数字流域分析的基本过程21-23
• 2.2.1 无洼地的DEM生成21-22
• 2.2.2 水流流向与汇流量的确定22
• 2.2.3 流域分割与河网的确定22-23
• 2.3 格网DEM数字流域流向分析的主要方法23-25
• 2.3.1 单流向分析方法23-24
• 2.3.2 多流向分析方法24-25
• 2.3.3 小结25
• 2.4 主要串行分析算法结构及可并行性分析25-28
• 2.4.1 洼地处理串行算法结构与可并行性分析25-26
• 2.4.2 水流流向与汇流计算串行算法结构与可并行性分析26-27
• 2.4.3 流域分割串行算法结构与可并行性分析27-28
• 2.5 本章小结28-29
• 第三章 基于OpenMP的数字流域串行算法的并行化29-49
• 3.1 多核并行计算技术概述29-31
• 3.1.1 传统并行计算模型29-30
• 3.1.2 并行计算机的分类30-31
• 3.2 单机多核并行程序设计31-36
• 3.2.1 并行化分解与并行化模式32-33
• 3.2.2 多核多线程程序并行设计33-36
• 3.3 单机多核共享内存环境下的格网DEM数据拆分36-37
• 3.3.1 拆分策略36-37
• 3.4 多核多线程共享内存模型OpenMP37-41
• 3.4.1 并行执行模式与负载均衡37-38
• 3.4.2 循环结构与任务调度38-39
• 3.4.3 程序指令和库函数及相关子句39-41
• 3.5 数字流域串行算法的多核并行化41-47
• 3.5.1 格网DEM数据读取41-42
• 3.5.2 并行填洼处理42-43
• 3.5.3 流向的并行计算43-46
• 3.5.4 汇流累积46
• 3.5.5 流域并行分割46-47
• 3.5.6 河网提取47
• 3.6 本章小结47-49
• 第四章 数字流域多核并行算法实验分析与优化49-71
• 4.1 实验环境与实验平台搭建49-56
• 4.1.1 实验环境49-50
• 4.1.2 实验数据50-52
• 4.1.3 实验平台搭建52-56
• 4.2 实验项目56-59
• 4.2.1 洼地处理并行分析算法测试56-57
• 4.2.2 并行流向分析算法测试57-58
• 4.2.3 汇流累计并行分析算法测试58
• 4.2.4 流域分割并行分析算法测试58-59
• 4.3 并行算法性能分析与优化59-70
• 4.3.1 加速比性能分析59-61
• 4.3.2 并行效率性能分析61-63
• 4.3.3 准确性分析63-66
• 4.3.4 并行处理时间分析66-70
• 4.4 本章小结70-71
• 第五章 总结和展望71-73
• 5.1 总结71-72
• 5.2 展望72-73
• 参考文献73-76
• 致谢76-77
• 攻读硕士学位期间的研究成果77-78
• 在校期间参与的科研项目78

【参考文献】

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