GPU并行运算在地质三维建模中的应用

作     者：王斌 

作者单位：中国地质大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：褚宝增;关永福

授予年度：2021年

学科分类：081801[工学-矿产普查与勘探] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 

主      题：地质三维建模 插值算法 并行运算 GPU 

摘      要：三维可视化技术是当前计算机图形领域的热点研究方向,同时也被应用在多个科学研究领域,包括地球科学、大气科学、医学影像学等。其中地质三维建模是当前地理信息系统重要的研究方向,受到国内外学者和从业人员的广泛重视。无论是地理地质专业科研人员还是地质工程的从业人员,都对地质三维可视化技术进行大量研究。三维地质模型逐渐成为他们的科学研究、工程实践中重要的辅助工具。但是由于地质体受到多种因素的影响,往往十分复杂,所以地质三维建模的技术也不断向更加完善成熟的方向发展。另一方面,当下科学研究的发展对科学计算的需求愈发提高,除了科学计算向着更大体量更高精度的方向发展,研究人员对计算的效率也提出了新的要求。计算机计算能力的进步除了CPU的升级换代,也离不开GPU的不断发展。随着CUDA技术的诞生,打破了GPU并行运算不易被调用的瓶颈,优化了GPU并行运算的编程环境。本论文主要针对利用地质钻孔数据进行三维地质建模进行研究,并尝试将GPU并行运算应用于建模过程。本文首先介绍了GPU的发展历史和CUDA技术的相关知识。分析了GPU的结构特点和工作特点,解释了GPU适合进行并行计算的综合理由。从软件体系、编程模型和存储器模型三个方面介绍了CUDA技术,分析了CUDA编程调用GPU进行计算的基础。针对三维地质建模,首先介绍了当下三维地质建模的国内外发展现状。然后从三维可视化出发,介绍了地质三维可视化的相关技术。本文主要讨论利用钻孔数据进行地质三维建模,从原始钻孔数据的处理,到数字高程模型的构建,其中应用了Delaunay三角剖分和主流插值技术。介绍学习了Delaunay三角剖分构建的TIN三角形网格的指标要求。对于插值技术,主要分析了三种插值方法,包括距离反比插值(IDW)、薄板样条插值(Thin plate spline)和克里金插值(Kriging)。针对距离反比插值方法,分析算法实现的计算过程,尝试使用GPU并行运算代替其中的部分计算过程,提升计算效率,达到加速建模的效果。最后使用C++语言,在Qt开发平台下,使用VTK、Boost等计算机三维图形工具库,在地质钻孔数据的基础上,构建地质三维模型。地质三维模型包含钻孔展示、地层顶板的面模型、地层体模型,并且加入了三维模型切割的功能。