扈小燕 劉培洵 陳順云 劉力強(qiáng) 馬 瑾 馬勝利
(中國地震局地質(zhì)研究所,地震動力學(xué)國家重點實驗室,北京 100029)
衛(wèi)星遙感能夠提供(準(zhǔn))實時地面信息,在地震研究中的應(yīng)用越來越廣泛。MODIS是搭載在Terra和Aqua兩顆衛(wèi)星上的重要的“圖譜合一”光學(xué)遙感觀測儀器。由于MODIS數(shù)據(jù)具有多頻段、高分辨率、高時效性、應(yīng)用廣泛等特點,使得MODIS數(shù)據(jù)對地球科學(xué)的綜合研究和對陸表、生物圈、固態(tài)地球、大氣和海洋的長期觀測有著重要意義,在自然災(zāi)害的監(jiān)測和分析研究領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。
目前,每年可接收到MODIS數(shù)據(jù)約8 TB左右,且已有十余年的數(shù)據(jù)積累。而在構(gòu)造活動或地震研究中,經(jīng)常需要考慮熱紅外輻射的長期動態(tài)演化(如數(shù)月、數(shù)年甚至十幾年),這就需要處理大量MODIS數(shù)據(jù)。MODIS數(shù)據(jù)的處理包括條帶噪聲消除、數(shù)據(jù)重疊現(xiàn)象去除、熱紅外波段亮溫反演、幾何糾正、影像檢測、地表溫/濕度反演等。MODIS數(shù)據(jù)處理的工作量很大,而且處理耗時長。如何快速處理遙感影像,成為推動衛(wèi)星遙感在地震研究中深入應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。
我們以MODIS數(shù)據(jù)投影為例,引入并行計算技術(shù),對遙感數(shù)據(jù)并行與串行處理的性能進(jìn)行比較。完整的MODIS 1B級數(shù)據(jù)投影的過程包括:讀取數(shù)據(jù)文件(HDF格式)、創(chuàng)建調(diào)色板、投影變換、生成結(jié)果文件。
讀取數(shù)據(jù)文件:根據(jù)MODIS數(shù)據(jù)特性,編寫MODIS數(shù)據(jù)訪問模塊,可以根據(jù)用戶的需要,在讀取數(shù)據(jù)的同時完成插值運算。
創(chuàng)建調(diào)色板:根據(jù)用戶選定的數(shù)據(jù)集生成調(diào)色板,使生成的結(jié)果圖像的顏色更均勻。
投影變換:實現(xiàn)4種常用地圖投影方式,包括正軸等角圓錐投影、正軸等面積圓錐投影、墨卡托投影、高斯-克呂格投影??筛鶕?jù)不同的使用目的靈活選用。投影后的數(shù)據(jù)消除了“雙眼皮”現(xiàn)象,即解決了不同的掃描條帶在邊界區(qū)域重疊的情況。
生成結(jié)果文件:將經(jīng)過投影和假彩色合成的結(jié)果數(shù)據(jù)集按照GeoTiff文件格式寫入文件,生成的圖像文件包含了地理坐標(biāo)信息和投影信息,不僅能用一般的圖像軟件瀏覽,還能夠在envi、erdas軟件中直接使用。
目前比較常見的是使用MPI和OpenMP來實現(xiàn)并行程序設(shè)計。MPI(Message Passing Interface)一般被應(yīng)用于計算機(jī)集群,對于單臺多核計算機(jī),OpenMP則是較好的選擇。OpenMP(Open Multi-Processing)是一套編譯指導(dǎo)語句,幫助編譯器生成利用SMP(symmetrical multiprocessor)系統(tǒng)內(nèi)多個處理器的多線程代碼。在多核計算機(jī)上利用OpenMP對MODIS數(shù)據(jù)處理并行化,可以提高處理速度。
在對MODIS數(shù)據(jù)處理過程中,需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)插值、計算等工作,這些工作多是用循環(huán)語句來完成的,因此在編寫應(yīng)用程序時在大量單次迭代之間不存在相關(guān)性的循環(huán)操作處應(yīng)用OpenMP,實現(xiàn)循環(huán)的多線程并行執(zhí)行。
結(jié)果表明,就單臺4核CPU臺式計算機(jī)而言,應(yīng)用程序以串行方式運行時,CPU的使用率僅為25%,而利用OpenMP技術(shù)可使CPU的使用率達(dá)到100%,處理速度提高了400%。值得注意的是,數(shù)據(jù)處理速度快慢還取決于處理任務(wù)的并行度和系統(tǒng)性能,I/O速度和磁盤本身的性能,都是提高計算速度的瓶頸。