基于MapReduce的分布式地震射线追踪方法研究

【摘要】：80年代末开始，在解决复杂构造成像中积分叠前深度偏移已取得了一定的成功，射线追踪算法是其算法的基础，也取得了不少发展。射线追踪方法是一种快速有效的波场近似计算方法，可以被地震波反演及偏移成像等过程中应用，不在地震波理论研究中也具有重要的意义。 云计算是在分布式处理（Distributed Computing）、并行处理（ParallelComputing）和网格计算（Grid Computing）基础上发展起来的，它是将计算资源作为可计量服务单位来提供的公用计算，也是利用并行处理来解决大规模问题的网格计算。他是在虚拟化技术和互联网技术快速发展的结果。基于云计算可实现计算中数据资源的分布式存储、计算过程并行化，进而可以充分利用现有计算条件，发掘云计算的潜力。因此，将现有的算法移植到Hadoop平台上实现分布式、大数据量的计算任务，具有十分重要的意义。 本文的主要工作在于深入研究了云计算、MapReduce的基本技术和射线追踪的基本理论、模型和算法基础上，对最短路径射线追踪算法、旅行时线性插值算法和旅行时抛物型插值算法进行了分析和改进，提出了基于MapReduce的并行化算法，给出了改进的思路和实现的基本过程，并对改进后的算法进行了评测，测试表明，改进后的算法在大数据量计算时具有良好的执行效率。本文的具体工作如下： 1.研究了并行计算、云计算和MapReduce的技术的基本理论和工作原理 首先对传统并行程序的消息传递机制MPI进行了研究，并对MPI的实现框架OpenMP模型进行了细致讨论；其次，云计算是并行计算的发展，在并行计算基础上，讨论了云计算的概念，并对云计算技术进行了分类。最后，对MapReduce进行了细致的分析和探讨，对Hadoop平台的MapReduce技术的编程模型、执行流程进行了分析，并详细分析了MapReduce的工作原理，从原始作业提交、作业初始化、任务分配、任务执行以及执行进度状态更新到作业完成，都给出了细致的分析。 2.研究了射线追踪的基本理论和原理，探讨了射线追踪算法的并行化改进 研究总结了射线追踪的两个原理和一个定律，给出了射线追踪的基本过程，并对射线追踪的旅行时射线追踪的线性插值算法、抛物型插值算法的基本原理进行了分析，给出了公式推导的细致过程，在此基础上，对原算法的时间/空间效率进行了分析，并对算法执行过程进行了并行化改进和设计，给出了算法改进的基本思路，并从理论上分析了算法改进后的时间/空间效率。 3.设计并实现了基于Hadoop和MapReduce的射线追踪算法，并对算法进行了评测 研究了Hadoop平台的搭建和开发环境部署过程，并基于MapReduce实现了改进的并行化最短路径射线追踪算法和旅行时线性插值算法，并对算法进行了评测。实验表明，在大数据量处理时，基于Hadoop平台的算法执行效率有明显的提升。