基于八叉樹(shù)的地震數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)方法研究

景妍 彭成

摘要：針對(duì)現(xiàn)有地震數(shù)據(jù)存取效率不足的問(wèn)題，在參考谷歌文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念并吸收其關(guān)鍵分布式處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用三維空間下八叉樹(shù)結(jié)構(gòu)與編碼的快速空間定位機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維大數(shù)據(jù)體的結(jié)構(gòu)分塊存儲(chǔ)。這一方法減少了單機(jī)存儲(chǔ)空間開(kāi)銷(xiāo)，并通過(guò)備份降低了數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，采用八叉樹(shù)結(jié)構(gòu)的分塊存儲(chǔ)，對(duì)于相近區(qū)域的屬性計(jì)算和三維渲染在文件訪(fǎng)問(wèn)速度上具有優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：分布式；八叉樹(shù)；地震數(shù)據(jù)；子塊切分；哈希編碼

中圖分類(lèi)號(hào)：P311.5， TP311.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）10-0081-03

0 引言

如果能夠充分利用最新的信息科學(xué)技術(shù)方便地調(diào)取上游板塊基礎(chǔ)資料，例如地震數(shù)據(jù)，并無(wú)縫地融合于油氣資源評(píng)價(jià)參數(shù)獲取與勘探部署決策過(guò)程中，對(duì)實(shí)現(xiàn)油氣高效勘探具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]?？紤]到以SEGY格式存儲(chǔ)的三維地震數(shù)據(jù)，一個(gè)文件就可以達(dá)到幾百GB甚至TB級(jí)別，在業(yè)內(nèi)不斷應(yīng)用計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)新技術(shù)的情況下，設(shè)計(jì)、調(diào)整并形成了一系列網(wǎng)絡(luò)文件存儲(chǔ)技術(shù)與部署方案[2]。例如，以直連式存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ)、存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)為代表的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)，配套高性能計(jì)算集群來(lái)提高單位時(shí)間內(nèi)執(zhí)行的任務(wù)數(shù)，體現(xiàn)出大吞吐量、低延遲數(shù)據(jù)讀取的特點(diǎn)[3-4]。由于采用的是直接存儲(chǔ)整個(gè)大數(shù)據(jù)文件的方式，面向集群的大文件存取存在對(duì)存儲(chǔ)和執(zhí)行環(huán)境要求高、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備昂貴、地理上連接距離有限、需要配備專(zhuān)業(yè)人員維護(hù)、訪(fǎng)問(wèn)速度瓶頸等問(wèn)題[5-6]。特別是，單個(gè)大文件I/O節(jié)點(diǎn)不僅因大量數(shù)據(jù)交換而變得很慢，還存在單點(diǎn)故障、容易造成集群癱瘓等實(shí)際問(wèn)題[7]。

隨著地震采集及電子掃描技術(shù)的發(fā)展，獲取地震資料的量級(jí)快速增長(zhǎng)。盡管用來(lái)處理數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)性能在不斷提高，但數(shù)據(jù)規(guī)模爆炸式的增長(zhǎng)仍然超越了內(nèi)存的發(fā)展速度[8]。從存儲(chǔ)、加載到顯示，需要重新審視現(xiàn)有的主流文件存儲(chǔ)格式，并配套研發(fā)相適應(yīng)的渲染、大數(shù)據(jù)挖掘等一系列支持大數(shù)據(jù)體的核心技術(shù)[9]。隨著三維地震數(shù)據(jù)采集、油氣田開(kāi)發(fā)等系列新技術(shù)帶來(lái)的快速數(shù)據(jù)更新，大數(shù)據(jù)背景下三維數(shù)據(jù)體的高效存儲(chǔ)與處理分析變得越來(lái)越復(fù)雜[10]。在參考谷歌文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念和消化其關(guān)鍵分布式處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，本方法利用三維空間下八叉樹(shù)結(jié)構(gòu)與編碼的快速空間定位機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維大數(shù)據(jù)體的結(jié)構(gòu)分塊存儲(chǔ)。

1 分布式存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)及八叉樹(shù)切分參數(shù)配置

地震數(shù)據(jù)八叉樹(shù)分布式存儲(chǔ)是指對(duì)地震數(shù)據(jù)通過(guò)八叉樹(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行切分，切分成多個(gè)子塊文件后傳輸?shù)讲煌鎯?chǔ)節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)分布式存儲(chǔ)。分布式存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)包括本地、服務(wù)器、存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)三個(gè)類(lèi)型的對(duì)象，其中本地存放了待切分的源地震數(shù)據(jù)，服務(wù)器中存放切分和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的參數(shù)配置，以及各個(gè)子塊的編碼及存儲(chǔ)位置信息，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中存放切分生成的子塊以及索引文件。

分布式存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的配置包括服務(wù)器的地址以及存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的地址配置。在進(jìn)行八叉樹(shù)切分時(shí)，服務(wù)器及存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)會(huì)運(yùn)行數(shù)據(jù)存取服務(wù)程序，其可以實(shí)現(xiàn)不同計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能，此服務(wù)程序基于RCF的開(kāi)源代碼實(shí)現(xiàn)。在配置服務(wù)器地址時(shí)，輸入服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)地址和網(wǎng)絡(luò)端口號(hào)進(jìn)行連接，服務(wù)器會(huì)返回當(dāng)前已經(jīng)存在的分布式地震數(shù)據(jù)對(duì)象列表，用戶(hù)新建一個(gè)分布式地震數(shù)據(jù)名表示切分后的地震數(shù)據(jù)對(duì)象，然后輸入各個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址和網(wǎng)絡(luò)端口號(hào)，之后的地震切塊會(huì)發(fā)送到這些存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中。

八叉樹(shù)切分參數(shù)的配置是基于八叉樹(shù)結(jié)構(gòu)。源地震數(shù)據(jù)可以看作一個(gè)三維的數(shù)據(jù)立方體，長(zhǎng)寬高分別對(duì)應(yīng)主測(cè)線(xiàn)、聯(lián)絡(luò)線(xiàn)和深度。用戶(hù)配置時(shí)會(huì)指定小立方體的長(zhǎng)寬高方向上的數(shù)據(jù)量，通過(guò)小立方體的長(zhǎng)寬高和源地震數(shù)據(jù)的長(zhǎng)寬高比較，得到源地震數(shù)據(jù)在三個(gè)方向上與小立方體三個(gè)方向上長(zhǎng)度的比值，取比值最大的一個(gè)方向并計(jì)算滿(mǎn)足大于此比值的最小的2 的次冪，這個(gè)次冪數(shù)即為八叉樹(shù)切分的層級(jí)數(shù)。

索引文件中會(huì)記錄源地震數(shù)據(jù)三個(gè)方向上的數(shù)據(jù)量以及八叉樹(shù)的切分方式。通過(guò)這兩個(gè)參數(shù)可以推導(dǎo)出地震數(shù)據(jù)和八叉樹(shù)子塊在空間位置上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)對(duì)應(yīng)關(guān)系可以從空間位置得到子塊的編號(hào)，也可以通過(guò)子塊編號(hào)得到其對(duì)應(yīng)的空間范圍。對(duì)于源地震數(shù)據(jù)三個(gè)方向上與2的次冪不整除的情況，在計(jì)算生成某個(gè)子塊時(shí)，這個(gè)子塊所在的空間位置可能沒(méi)有對(duì)應(yīng)的地震數(shù)據(jù)或者只有一部分地震數(shù)據(jù)，那么不生成此子塊或者只生成有數(shù)據(jù)部分的子塊即可。

2 切塊編碼及存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的分配

八叉樹(shù)空間結(jié)構(gòu)的三維空間編碼通常采用線(xiàn)性莫頓編碼，如圖1所示，每一位八進(jìn)制數(shù)位可以看成3 位二進(jìn)制數(shù)，由所在節(jié)點(diǎn)的空間位置編碼而來(lái)（其中，n 表示子體數(shù)據(jù)塊所處的空間結(jié)構(gòu)位置）：Morton =[（x0，y0，z0），（x1，y1，z1），...，（xn-1，yn-1，zn-1）]。切分時(shí)的每個(gè)子塊都會(huì)有其對(duì)應(yīng)的莫頓碼，從莫頓碼也可以反推出子塊對(duì)應(yīng)的空間范圍。

八叉樹(shù)節(jié)點(diǎn)體現(xiàn)了空間坐標(biāo)信息，同時(shí)易于實(shí)現(xiàn)自然數(shù)的映射，即某一體數(shù)據(jù)塊的具體文件存儲(chǔ)位置。莫頓碼按照大小排序得到子塊的自然數(shù)編碼（Tile ID） ，進(jìn)而映射到不同體數(shù)據(jù)塊文件存儲(chǔ)位置。讀取子塊數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)給出三維空間數(shù)據(jù)獲取范圍時(shí)，通過(guò)計(jì)算八叉樹(shù)中所在的空間位置得到莫頓碼，進(jìn)而以Tile ID為索引定位數(shù)據(jù)在文件中的存儲(chǔ)位置；同樣，給出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置，也可以計(jì)算 Tile ID，得到它在體數(shù)據(jù)或八叉樹(shù)中的空間位置。Tile ID從零開(kāi)始，對(duì)應(yīng)最終層級(jí)中莫頓碼最小的子塊，依次類(lèi)推。

為了使分布式存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)在存儲(chǔ)多個(gè)不同地震數(shù)據(jù)體子塊時(shí)，文件名稱(chēng)不相重復(fù)，需要對(duì)地震數(shù)據(jù)體的子塊命名獨(dú)有的文件名，本文采用生成隨機(jī)64位無(wú)符號(hào)整型數(shù)來(lái)表示子塊的哈希編碼（UUID） ，每個(gè)子塊文件命名為“XXX（UUID）.afs”。

子塊有莫頓碼、Tile ID、UUID三種碼，與子塊一一對(duì)應(yīng)，從莫頓碼和子塊長(zhǎng)寬高范圍也可以推導(dǎo)出其所在的空間位置，從而實(shí)現(xiàn)編碼和位置信息的關(guān)聯(lián)。

在分配存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)時(shí)，要確定一個(gè)子塊需要傳輸?shù)侥男┐鎯?chǔ)節(jié)點(diǎn)中，采用的是一致性哈希算法，如圖2所示，整數(shù)0到2^64-1構(gòu)成一個(gè)圓環(huán)，每個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)生成一個(gè)隨機(jī)64位無(wú)符號(hào)整型數(shù)據(jù)表示存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的哈希值，根據(jù)哈希值在圓環(huán)中所處的位置，將存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)放在相應(yīng)位置上，如圖中ABCD四個(gè)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)子塊也有一個(gè)UUID，根據(jù)UUID落在圓環(huán)中的位置，例如在AB之間那么這個(gè)子塊就分配給A，在BC之間就分配給B，在CD之間就分配給C，在DA之間就分配給D。對(duì)于多副本的情況，只需在圓環(huán)上順時(shí)針往后面找相應(yīng)數(shù)量的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分配，例如有兩個(gè)副本，那么一個(gè)子塊分配給A，則再順時(shí)針往下找到B，最后子塊會(huì)傳輸?shù)紸和B兩個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)多副本。

本地將存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)配置和子塊切分參數(shù)配置傳給服務(wù)器，服務(wù)器端完成每個(gè)子塊生成UUID以及計(jì)算其對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的工作，并將分布式地震數(shù)據(jù)名、子塊與UUID的對(duì)應(yīng)列表、子塊與存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)列表保存。

3 切分地震數(shù)據(jù)生成子塊

切分地震數(shù)據(jù)生成子塊的流程如圖3所示：

1） 初始化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，啟動(dòng)RCF中用來(lái)連接服務(wù)端的接口，分別啟動(dòng)連接服務(wù)器的接口以及連接存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的接口。

2） 本地根據(jù)子塊切分參數(shù)配置生成各個(gè)子塊的莫頓編碼和總的子塊個(gè)數(shù)。

3） 打開(kāi)源地震數(shù)據(jù)文件，準(zhǔn)備讀取數(shù)據(jù)。

4） 將存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)配置和子塊切分參數(shù)配置傳給服務(wù)器，服務(wù)器端完成每個(gè)子塊生成UUID以及計(jì)算其對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的工作，并將每個(gè)子塊的文件名返回給本地。

5） 初始化當(dāng)前切分狀態(tài)信息，包括切分時(shí)的當(dāng)前子塊，帶寬，數(shù)據(jù)傳輸量，上傳的最長(zhǎng)最短用時(shí)等。

6） 切分源地震數(shù)據(jù)體生成子塊，具體生成一個(gè)子塊的步驟為：首先根據(jù)當(dāng)前子塊的Tile ID得到其莫頓編碼，再通過(guò)莫頓編碼轉(zhuǎn)換為具體的空間范圍，對(duì)于三維地震數(shù)據(jù)體，空間范圍即主測(cè)線(xiàn)、聯(lián)絡(luò)線(xiàn)、深度三個(gè)方向上的范圍，然后循環(huán)遍歷主測(cè)線(xiàn)和聯(lián)絡(luò)線(xiàn)，一對(duì)主測(cè)線(xiàn)號(hào)和聯(lián)絡(luò)線(xiàn)號(hào)確定的平面上的位置稱(chēng)作CDP點(diǎn)，這個(gè)CDP點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)地震道，按照深度方向的范圍從源地震文件中讀取這個(gè)地震道，然后將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到子塊中。

源地震數(shù)據(jù)的組織方式是按照地震道來(lái)排列的，每個(gè)地震道的長(zhǎng)度相同，在地震道道頭中有其主測(cè)線(xiàn)號(hào)和聯(lián)絡(luò)線(xiàn)號(hào)，本地首先讀取所有地震道頭，建立CDP點(diǎn)位置與對(duì)應(yīng)地震道在文件中位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系（gridpos_filepos） ，有些地震數(shù)據(jù)里面地震道并不是按照主測(cè)線(xiàn)和聯(lián)絡(luò)線(xiàn)順序排列的，可能順序是亂的。所以在從源地震數(shù)據(jù)讀取地震道時(shí)，需要利用grid?pos_filepos來(lái)找到其正確的位置。

對(duì)于疊前地震數(shù)據(jù)，每個(gè)CDP點(diǎn)對(duì)應(yīng)一組地震道而不是一條地震道，此時(shí)需要讀取一組地震道在子塊深度范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，也是利用gridpos_filepos，此時(shí)這個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系是一對(duì)多的，將所有相同CDP點(diǎn)號(hào)的地震道數(shù)據(jù)讀出，然后順序地寫(xiě)入子塊中。gridpos_filepos 會(huì)在后續(xù)步驟寫(xiě)入索引文件傳到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。子塊的數(shù)據(jù)排列方式如圖4所示，平面上兩個(gè)方向分別為切分后的主測(cè)線(xiàn)和聯(lián)絡(luò)線(xiàn)部分，每個(gè)CDP點(diǎn)號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)道集，為相同CDP號(hào)的一組地震道在子塊深度區(qū)間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。

4 傳輸子塊及索引到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)

對(duì)于生成的子塊文件，傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中。首先向服務(wù)器發(fā)送子塊的Tile ID，服務(wù)器通過(guò)自身存儲(chǔ)的子塊與存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)列表，將需要上傳的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)返回給本地，本地通過(guò)與存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸接口，將子塊上傳到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中。在前面配置參數(shù)的步驟中，配置存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)時(shí)需要配置文件存放的具體路徑，表示子塊在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)中存放的位置。存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)根據(jù)當(dāng)前切分地震數(shù)據(jù)體的分布式文件名稱(chēng)，對(duì)其名稱(chēng)進(jìn)行MD5哈希得到一個(gè)無(wú)符號(hào)整型數(shù)字，在文件存放路徑下建立名為此數(shù)字的子文件夾，所有當(dāng)前切分地震數(shù)據(jù)體的子塊都存放在這個(gè)子文件夾中，之后子塊獲取也是根據(jù)MD5哈希找到正確的目錄去加載。

索引文件內(nèi)容包括源地震數(shù)據(jù)主測(cè)線(xiàn)和聯(lián)絡(luò)線(xiàn)組成的測(cè)網(wǎng)形狀信息，八叉樹(shù)參數(shù)（層數(shù)、子塊等方向的大?。訅K數(shù)量，各子塊文件名，gridpos_filepos，源地震數(shù)據(jù)體深度范圍及測(cè)網(wǎng)范圍。最后，將索引傳輸?shù)矫總€(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中。

5 加載并使用分布式地震數(shù)據(jù)

用戶(hù)指定要加載的分布式地震數(shù)據(jù)名稱(chēng)，選擇后從存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中下載索引文件并加載到本地，完成分布式文件的加載。在使用分布式地震數(shù)據(jù)時(shí)，例如想查看某一條主測(cè)線(xiàn)的地震道剖面，則根據(jù)剖面的主測(cè)線(xiàn)號(hào)、聯(lián)絡(luò)線(xiàn)號(hào)、深度范圍以及八叉樹(shù)切分參數(shù)，得到對(duì)應(yīng)的子塊編號(hào)。然后將下載子塊的編號(hào)發(fā)送給服務(wù)器端，服務(wù)器端根據(jù)子塊與存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及子塊編號(hào)與子塊文件名對(duì)應(yīng)關(guān)系，找到子塊對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)及文件路徑返回給本地，本地再?gòu)南鄳?yīng)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)下載子塊。子塊下載完成后，從子塊中對(duì)應(yīng)的位置讀取地震數(shù)據(jù)并形成地震剖面。

一個(gè)具體的地震剖面查詢(xún)流程如圖5所示。

1） 通過(guò)輸入的主測(cè)線(xiàn)號(hào)或者聯(lián)絡(luò)線(xiàn)號(hào)，生成一組CDP點(diǎn)位置及起止時(shí)間。

2） 對(duì)于每一個(gè)CDP點(diǎn)位置以及起止時(shí)間，首先從緩存中查詢(xún)，如果緩存中有，則直接返回?cái)?shù)據(jù)，如果沒(méi)有，則將CDP點(diǎn)位置轉(zhuǎn)換為在數(shù)據(jù)立方體長(zhǎng)寬平面上的偏移量，將起止時(shí)間轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)立方體在高方向上的偏移量。

3） 根據(jù)偏移量，得到具體的空間坐標(biāo)范圍。

4） 根據(jù)空間坐標(biāo)范圍及八叉樹(shù)切分配置，得到對(duì)應(yīng)的一組莫頓編碼。

5） 對(duì)于每個(gè)莫頓編碼，獲取對(duì)應(yīng)的Tile ID。

6） 根據(jù)Tile ID，在緩存中查詢(xún)，如果緩存中有，則直接返回?cái)?shù)據(jù)，如果沒(méi)有則獲取對(duì)應(yīng)的UUID及子塊文件名。

7） 如果本地有對(duì)應(yīng)的子塊文件，則讀取數(shù)據(jù)并返回，如果沒(méi)有則向服務(wù)器詢(xún)問(wèn)子塊所在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，服務(wù)器根據(jù)子塊與存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)列表返回子塊所在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，本地再向存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)下載子塊，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)根據(jù)當(dāng)前地震數(shù)據(jù)體的分布式文件名稱(chēng)及子塊文件名，找到對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)路徑，將文件傳回本地。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種地震數(shù)據(jù)八叉樹(shù)分布式存儲(chǔ)方法，通過(guò)分布式哈希方法對(duì)地震子塊分配，支持疊前地震數(shù)據(jù)的子塊切分存儲(chǔ)，同時(shí)提供冗余存儲(chǔ)降低數(shù)據(jù)丟失風(fēng)險(xiǎn)?；诎瞬鏄?shù)的分布式存儲(chǔ)減少了單機(jī)存儲(chǔ)空間開(kāi)銷(xiāo)，并且對(duì)于相近區(qū)域的屬性計(jì)算和三維渲染在文件訪(fǎng)問(wèn)速度上具有優(yōu)勢(shì)。

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