CN112578452A - 一种gpu加速的ovt域叠前深度偏移方法及系统 - Google Patents

一种gpu加速的ovt域叠前深度偏移方法及系统 Download PDF

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郭恺
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Abstract

本发明提供了一种GPU加速的OVT域叠前深度偏移方法及系统，属于地震资料处理领域。该GPU加速的OVT域叠前深度偏移方法首先处理地震数据的道头，建立OVT索引；然后在绕射叠加过程中通过OVT索引访问对应的各道地震数据，获得OVT域成像结果。本发明通过优化数据读写方案和GPU设备加速，实现了计算效率的大幅提升，同时节省了磁盘空间，使得OVT成像处理的计算效率提高。

Description

一种GPU加速的OVT域叠前深度偏移方法及系统
技术领域
本发明属于地震资料处理领域，具体涉及一种GPU加速的OVT域叠前深度偏移方法及系统。
背景技术
传统OVT深度偏移技术的基本流程图如图1所示，具体的步骤如下：
1)读取经过前期处理的地震数据，计算每一个地震道的OVT号，计算公式如下：
Figure BDA0002217539940000011
其中Sx是炮点的x坐标，Sy是炮点的y坐标，Gx是检波点的x坐标，Gy是检波点的y坐标，OVT代表OVT号，Δx和Δy分别是用户给定的x和y的空间间隔。计算完成后，将数据按照OVT号进行重拍，输出重排后的数据备用。
2)读取参数，并按照参数文件提供的网格进行射线追踪，计算出每一个炮点和检波点到地下每一个网格点的射线旅行时；
3)对重排到OVT域的地震数据中的地震道进行循环，每道数据按照如下操作：
首先，按照地震道对应的炮点和检波点读取相应的上一步计算的射线旅行时；
之后，按照下式进行成像
Figure BDA0002217539940000012
其中I(x,y,z,OVT)是OVT域成像结果，D(OVT,m,t)表示重排后的地震数据，m是每个OVT内的道序号，t是时间，T(x,y,z,Sx,Sy,Gx,Gy)是每一道数据对应的炮点和检波点的走时之和，(x,y,z)是空间坐标，δ表示狄拉克抽样函数。
最后，当单个OVT数据计算完成，输出成像结果，直到所有的OVT处理完成。
基于绕射叠加的偏移算法虽然在成像精度上不如后来发展起来的单程波偏移和逆时偏移等方法，但是其计算速度和灵活性还是比较高，特别是可以生成不同的偏移成像道集，使得这种成像方法至今还有广泛的应用。
OVT(Offset Vector Tile)是一种包含地表方位信息的地震道集，常用在方位各向异性分析中，具有重要应用价值。生成该道集需要使用OVT域成像技术，这项技术较为耗时，计算一个三维工区往往需要几天的时间，因此急需提升计算效率，这样才更有利于减少项目周期，提高勘探效率。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种GPU加速的OVT域叠前深度偏移方法及系统，提升计算效率，减少项目周期，提高勘探效率。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种GPU加速的OVT域叠前深度偏移方法，所述方法首先处理地震数据的道头，建立OVT索引；然后在绕射叠加过程中通过OVT索引访问对应的各道地震数据，获得OVT域成像结果。
所述绕射叠加过程是采用GPU实现的。
所述方法包括：
(1)读取地震数据道头，建立OVT索引；
(2)进行射线追踪，获得每一个炮点和检波点到地下每一个网格点的射线旅行时；
(3)利用GPU进行绕射叠加，获得OVT域成像结果。
所述步骤(1)的操作包括：
(11)，读取地震数据道头，获取道头中的炮点坐标和检波点坐标，利用下式计算OVT号：
Figure BDA0002217539940000031
其中Sx是炮点的x坐标，Sy是炮点的y坐标，Gx是检波点的x坐标，Gy是检波点的y坐标；
OVT代表OVT号，Δx和Δy分别是给定的x和y的空间间隔；
(12)建立索引：
按照下面的结构建立索引：
每个索引为一个数据对：{道序号：OVT号}；
所述数据对的数量是地震数据的总道数；
(13)按照OVT号对索引进行排序，并存储。
所述步骤(2)的操作包括：
读取参数，所述参数包括：描述成像网格的坐标信息；
按照参数提供的网格进行射线追踪，获得每一个炮点和检波点到地下每一个网格点的射线旅行时。
所述步骤(3)的操作包括：
(31)读取第(1)步建立的索引，按照索引的道序号读取一道地震数据到计算机内存；
(32)按照该道地震数据中的炮点坐标和检波点坐标，分别读取第(2)步获得的射线旅行时到计算机内存；
(33)将该道地震数据从内存传递到显卡设备显存，并使用纹理缓存进行映射；
(34)将每一个炮点和检波点对应的射线旅行时分别传递到显卡设备显存，并使用纹理缓存进行映射；
(35)按照成像网格的坐标信息，将每一个成像点分配给一个设备线程，利用下式进行成像：
Figure BDA0002217539940000041
其中I(x,y,z,OVT)是OVT域成像结果，D(OVT,m,t)表示一道地震数据，m是每个OVT内的道序号，t是时间，T(x,y,z,Sx,Sy,Gx,Gy)是一道地震数据对应的炮点和检波点的走时之和，(x,y,z)是空间坐标；
(36)判断当前OVT是否结束，如果是，则转入步骤(37)，如果否，则返回步骤(31)；
(37)将OVT域成像结果从显卡设备显存回传至内存，再输出到磁盘，然后返回步骤(31)。
所述步骤(36)中的判断当前OVT是否结束的操作包括：
将新读取的索引中的OVT号与上一次读取的索引号中的OVT号进行比较，如果两者相同，则判定当前OVT没有结束，如果两者不同，则判定当前OVT结束。
所述步骤(37)中的将OVT域成像结果从显卡设备显存回传至内存后还包括：
将OVT域成像结果I(x,y,z,OVT)索引为OVG，即I(x,y,OVT,z)的道集形式。
本发明还提供一种GPU加速的OVT域叠前深度偏移系统，包括：
OVT索引建立模块，用于读取地震数据道头，建立OVT索引；
射线追踪模块，用于获得每一个炮点和检波点到地下每一个网格点的射线旅行时；
绕射叠加模块，分别与OVT索引建立模块、射线追踪模块连接，用于利用GPU进行绕射叠加，获得OVT域成像结果。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行的至少一个程序，所述至少一个程序被所述计算机执行时使所述计算机执行本发明的GPU加速的OVT域叠前深度偏移方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过优化数据读写方案和GPU设备加速，实现了计算效率的大幅提升，同时节省了磁盘空间，使得OVT成像处理的计算效率提高。
附图说明
图1为常规OVT成像流程图；
图2为本发明方法步骤框图；
图3-1为常规OVT成像输出的一个成像道集；
图3-2为本发明方法输出的一个成像道集；
图4-1为常规OVT成像输出的一个成像剖面；
图4-2为本发明方法输出的一个成像剖面；
图5为常规OVT成像和本发明方法的计算效率的对比；
图6本发明系统的组成结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
通过对传统算法的梳理，发现两个环节制约了计算效率：
1)数据重排，数据重排需要将数据完全读取一遍，排序并写出，对数据量在TB级别的地震数据，这项操作不仅费时，而且需要大量的磁盘存储空间；
2)绕射叠加部分，这部分是偏移成像的主体，是计算最为密集的部分，传统算法通过CPU计算完成这种算法，随着通用型GPU设备的发展，本发明通过GPU算法来对算法进行进一步加速，实现计算效率的大幅提升。
如图2所示，本发明方法包括：
1)本发明针对原始流程中数据重排的部分进行了修改，不对数据进行操作，而是只处理数据道头，建立OVT索引，之后的偏移叠加是通过这个索引来访问对应的一道地震数据(简称地震道)，具体步骤如下：
首先，读取地震数据道头，获取道头中的炮点坐标和检波点坐标，并计算OVT号，计算公式如下：
Figure BDA0002217539940000061
其中Sx是炮点的x坐标，Sy是炮点的y坐标，Gx是检波点的x坐标，Gy是检波点的y坐标，OVT代表OVT号，Δx和Δy分别是用户给定的x和y的空间间隔。计算完成后，建立索引。索引结构为{道序号：OVT号}数据对。共有数据的总道数个数据对(即数据对的数量是总道数)。对索引按照OVT号进行排序，并存储。传统方法是将数据进行排序，本发明方法是将索引进行排序，因此效率更高且需要的存储空间少。
2)读取参数(参数包括用来描述成像网格的坐标信息)，并按照参数文件提供的网格进行射线追踪(射线追踪是一种地震成像领域的常用方法，其目的就是“计算出每一个炮点和检波点到地下每一个网格点的射线旅行时”)，获得每一个炮点和检波点到地下每一个网格点的射线旅行时；
3)计算绕射叠加。这部分使用GPU进行加速，具体流程如下：
①读取第1)步建立的索引，按照索引的道序号读取一道地震数据到计算机内存。由第1)步可知，索引是个数据对的集合，每个数据对是{道序号：OVT号}，道序号实际上就是数据的存放位置，按OVT号排序后，道序号就是乱序了，按照OVT排序后的顺序中的OVT号对应的道序号去读取数据，实际上相当于对数据进行了重排，但是这种对数据的重排是没有读写数据的开销的，下面过程中循环时相当于读完OVT为1的所有地震道后，再读取OVT为2的所有地震道；
②按照该道地震数据中的检波点坐标和炮点坐标，分别读取第2)步计算的射线旅行时到计算机内存；
③将该道地震数据从内存传递到显卡设备显存，并使用纹理缓存进行映射；
④将每一个炮点和检波点对应的射线旅行时分别传递到设备显存，并使用纹理缓存进行映射；
⑤按照成像网格信息，将每一个成像点分配给一个设备线程，按照下式进行成像：
Figure BDA0002217539940000071
其中I(x,y,z,OVT)是OVT域成像结果，D(OVT,m,t)表示重排后的地震数据(按照OVT号重排索引，然后按照索引中的道序号读数据，实际上相当于重排了数据)，即步骤①中读取的一道地震数据，m是每个OVT内的道序号(因为同一个OVT对应多道地震数据，即多道地震数据具有相同的OVT。)，t是时间，上式中用T(x,y,z,Sx,Sy,Gx,Gy)代替了D(OVT,m,t)中的t，T(x,y,z,Sx,Sy,Gx,Gy)是一道地震数据对应的炮点和检波点的走时之和(每一道地震数据对应一个炮点、一个检波点，将该道地震数据对应的炮点到地下每一个网格点的射线旅行时与该道地震数据对应的检波点到地下每一个网格点的射线旅行时相加即得到该道地震数据对应的炮点和检波点的走时之和)，(x,y,z)是空间坐标。上式中将抽样函数的抽样结果写到数据中，这样实现更加简单。每读取一道地震数据均利用上式进行计算，具体的，第一次读取的是该OVT的第一道，此时完成上式的计算后没有进行叠加，第二次是读取的该OVT的第二道，此时完成上式的计算后即将第一道和第二道叠加，第三次是读取的该OVT的第三道，此时完成上式的计算后即将第一、二、三道叠加，以此类推，直到该OVT的所有道均处理完毕，即得到OVT域成像结果，这是现有的成像方法，在此不再赘述。
⑥判断当前OVT是否结束，如果是，则转入步骤⑦，如果否，则返回步骤①；
所述判断当前OVT是否结束的操作包括：将新读取的索引中的OVT号与上一次读取的索引号中的OVT号进行比较，如果两者相同，则判定当前OVT没有结束，也就是说数据还属于相同的OVT，如果两者不同，则判定当前OVT结束，即数据属于不同的OVT。
⑦将OVT域成像结果从设备显存回传至内存，然后输出到磁盘，为了便于后续的处理，还可以将OVT域成像结果I(x,y,z,OVT)索引为OVG，即I(x,y,OVT,z)的道集形式，然后返回到①进行下一个OVT处理。
本发明还提供了一种系统，如图6所示，该系统包括：
OVT索引建立模块10，用于读取地震数据道头，建立OVT索引；
射线追踪模块20，用于获得每一个炮点和检波点到地下每一个网格点的射线旅行时；
绕射叠加模块30，分别与OVT索引建立模块10、射线追踪模块20连接，用于利用GPU进行绕射叠加，获得OVT域成像结果。
本发明方法的实施例如下：
(1)本实施例中的数据为中国西部某工区的实际数据。
(2)对(1)所示数据进行常规流程的OVT域成像和本发明方法的OVT域成像，获得成像道集数据，分别抽取(x，y)坐标相同的位置的道集进行对比，对比图如图3-1和图3-2所示，通过对比可以看出，利用本发明方法生成的成像道集与常规算法生成的成像道集差别不大，算法优化并没有影响成像效果。
(3)对(2)获得的成像道集数据分别按照OVT叠加，
Figure BDA0002217539940000081
分别抽取相同位置剖面进行对比，对比图如图4-1和图4-2所示，对比结果也是效果相当。
(4)针对(1)所示数据进行(2)步骤中的常规OVT成像和本发明方法的OVT成像的计算效率对比如图5所示，通过对比可以看出，对比16个线程的CPU算法，单块GPU卡的加速性能也可以达到5倍，原本需要2天完成的三维OVT偏移计算可以缩短到8.7小时。
OVT成像可以输出OVT域成像道集，对于宽方位地震勘探的方位各向异性分析起到至关重要的作用。目前的OVT域成像算法基于CPU实现，计算一个三维工区的数据往往需要几天的运行时间，这样的计算效率对后续的分析是不足够的。本发明利用GPU设备实现了一套加速算法，充分利用GPU高度并行的特点和纹理缓存的硬件插值特点，大幅提高了OVT域成像的计算效率，在保证成像质量的前提下，将三维工区的运行时间从几天缩短到几小时。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.一种GPU加速的OVT域叠前深度偏移方法，其特征在于：所述方法首先处理地震数据的道头，建立OVT索引；然后在绕射叠加过程中通过OVT索引访问对应的各道地震数据，获得OVT域成像结果。
2.根据权利要求1所述的GPU加速的OVT域叠前深度偏移方法，其特征在于：所述绕射叠加过程是采用GPU实现的。
3.根据权利要求2所述的GPU加速的OVT域叠前深度偏移方法，其特征在于：所述方法包括：
(1)读取地震数据道头，建立OVT索引；
(2)进行射线追踪，获得每一个炮点和检波点到地下每一个网格点的射线旅行时；
(3)利用GPU进行绕射叠加，获得OVT域成像结果。
4.根据权利要求3所述的GPU加速的OVT域叠前深度偏移方法，其特征在于：所述步骤(1)的操作包括：
(11)，读取地震数据道头，获取道头中的炮点坐标和检波点坐标，利用下式计算OVT号：
Figure FDA0002217539930000011
其中Sx是炮点的x坐标，Sy是炮点的y坐标，Gx是检波点的x坐标，Gy是检波点的y坐标；
OVT代表OVT号，Δx和Δy分别是给定的x和y的空间间隔；
(12)建立索引：
按照下面的结构建立索引：
每个索引为一个数据对：{道序号：OVT号}；
所述数据对的数量是地震数据的总道数；
(13)按照OVT号对索引进行排序，并存储。
5.根据权利要求4所述的GPU加速的OVT域叠前深度偏移方法，其特征在于：所述步骤(2)的操作包括：
读取参数，所述参数包括：描述成像网格的坐标信息；
按照参数提供的网格进行射线追踪，获得每一个炮点和检波点到地下每一个网格点的射线旅行时。
6.根据权利要求5所述的GPU加速的OVT域叠前深度偏移方法，其特征在于：所述步骤(3)的操作包括：
(31)读取第(1)步建立的索引，按照索引的道序号读取一道地震数据到计算机内存；
(32)按照该道地震数据中的炮点坐标和检波点坐标，分别读取第(2)步获得的射线旅行时到计算机内存；
(33)将该道地震数据从内存传递到显卡设备显存，并使用纹理缓存进行映射；
(34)将每一个炮点和检波点对应的射线旅行时分别传递到显卡设备显存，并使用纹理缓存进行映射；
(35)按照成像网格的坐标信息，将每一个成像点分配给一个设备线程，利用下式进行成像：
Figure FDA0002217539930000021
其中I(x,y,z,OVT)是OVT域成像结果，D(OVT,m,t)表示一道地震数据，m是每个OVT内的道序号，t是时间，T(x,y,z,Sx,Sy,Gx,Gy)是一道地震数据对应的炮点和检波点的走时之和，(x,y,z)是空间坐标；
(36)判断当前OVT是否结束，如果是，则转入步骤(37)，如果否，则返回步骤(31)；
(37)将OVT域成像结果从显卡设备显存回传至内存，再输出到磁盘，然后返回步骤(31)。
7.根据权利要求6所述的GPU加速的OVT域叠前深度偏移方法，其特征在于：所述步骤(36)中的判断当前OVT是否结束的操作包括：
将新读取的索引中的OVT号与上一次读取的索引号中的OVT号进行比较，如果两者相同，则判定当前OVT没有结束，如果两者不同，则判定当前OVT结束。
8.根据权利要求6所述的GPU加速的OVT域叠前深度偏移方法，其特征在于：所述步骤(37)中的将OVT域成像结果从显卡设备显存回传至内存后还包括：
将OVT域成像结果I(x,y,z,OVT)索引为OVG，即I(x,y,OVT,z)的道集形式。
9.一种GPU加速的OVT域叠前深度偏移系统，其特征在于：所述系统包括：
OVT索引建立模块，用于读取地震数据道头，建立OVT索引；
射线追踪模块，用于获得每一个炮点和检波点到地下每一个网格点的射线旅行时；
绕射叠加模块，分别与OVT索引建立模块、射线追踪模块连接，用于利用GPU进行绕射叠加，获得OVT域成像结果。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行的至少一个程序，所述至少一个程序被所述计算机执行时使所述计算机执行如权利要求1-8任一项所述的GPU加速的OVT域叠前深度偏移方法中的步骤。
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