[发明专利]一种基于CPU+GPU架构的空间几何体线段相交判断并行处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于CPU+GPU架构的空间几何体线段相交判断并行处理方法，属于信息技术领域，主要是综合了空间索引技术，几何计算精度判断技术和CPU+GPU并行计算技术，解决了在CPU+GPU硬件架构下二维空间几何体相交判断并行计算的问题。

背景技术

近年来，伴随着空间信息获取技术更加成熟，空间数据的数据量急速增加，导致空间数据的规模越来越大。传统的串行算法以及线性处理的思想不足以支持海量数据的处理，难以适应迅速增长的应用要求。因此伴随着并行计算机越来越普及，根据其硬件架构的特点，制定合理的并行化策略，将原有的串行算法进行并行化的改造与应用，使得对海量空间数据的处理效率满足应用需求。同时对于地理信息系统技术与计算机技术如何更加紧密结合的研究，必将成为国内外高度重视的研究课题，也会对包括国防、农林业、防震减灾、航空航天等多项国家重点领域产生重大及深远的影响。

从基于CPU多核的并行到CPU+GPU的异构并行，硬件产品的更新换代对传统算法的并行化产生了重大的影响。现如今，基于不同的硬件架构，多种并行方法已应用于空间数据的并行化研究中，异构并行计算近年来也得到更多关注。CPU的逻辑处理能力强；GPU数学计算性能强大，大规模并行处理机制强大。将两者结合成为一个异构平台，发挥各自的特长，是现今并行计算的发展趋势。

为了在计算机的抽象空间中表达现实世界，在地理信息系统中，地理实体被抽象简化为简单的几何体，可以是点、线、面或体。它们之间的空间位置关系可以是相交、分离、包含、最短距离等。

九交模型是一种数学方法，定义了两个几何体之间的空间位置关系，通过比较两个空间几何体之间的坐标（X,Y）实现它们位置关系的判断。例如两个由多个多边形构成的空间几何体，需要判断它们之间的位置关系，首先要判断它们所有线段的相交关系。常用的方法是平面扫描法，即利用一条平行于y轴的扫描线，沿x轴方向，从左至右扫描空间数据，判断不同的事件点间所扫描过线段的相交情况。现如今，该算法被广泛使用于各类地学软件中以用于判断空间几何的位置关系，其时间复杂度为O(n·log(n))。虽然该方法较为成熟且应用广泛，但因为其自身的计算特点决定了该算法无法被改造，这导致并行化改造判断空间几何体位置关系的算法在此遇到了瓶颈，所以，改变空间几何体线段相交判断的算法以适应并行化改造，是解决空间结合体位置关系判断的关键。

为了保证线段相交判断在CPU+GPU架构上计算的正确性，浮点运算精度是一个极其关键的问题。虽然如今GPU已经支持双精度浮点运算，但相比较于其单精度浮点运算能力，普通台式机GPU的双精度浮点运算能力还是偏弱。对于空间数据的处理，不能简单的全部使用单精度作为数据处理的精度标准，这将导致计算错误。所以，为了保证计算结果的正确性，首先要根据其几何计算的精度要求对数据进行划分，使得只有满足单精度浮点运算要求的数据才可以进入GPU进行计算。几何计算精度要求由相交判断方法与单精度浮点数范围共同决定，以确保在单精度浮点运算的范围内，数据在进行相交判断的过程中，经过一系列的加、减、乘、除等简单运算后，其结果仍然在有效范围之内。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于CPU+GPU架构的空间几何体线段相交判断并行处理方法，充分利用CPU+GPU架构的硬件计算资源，该方法通过对空间几何体构建空间索引快速筛选出线段对候选集合，并结合各硬件对于不同精度浮点运算的并行计算特点，合理的制定并行化策略精炼候选集合以获得正确结果，从而提高了空间几何体相交判断的计算效率且保证其准确性。

本发明技术解决方案：一种基于CPU+GPU架构的空间几何体线段相交判断并行处理方法，包括以下步骤：

第一步，数据整理及信息提取，将空间几何体拆分为结点集与线段集并获取所需空间信息；

第二步，根据第一步中获得的空间信息构建空间索引，将空间几何体的结点与线段信息高效存储于空间索引中；

第三步，利用第二步中的空间索引，提取索引中每一个存储单元内所有不同几何体之间的线段组合，同时对每一组线段对进行几何计算的精度判断，依照判断结果是否满足单、双精度浮点运算的要求，形成两个线段对候选集合；

第四步，对于第三步中的满足单精度浮点运算要求的线段对候选集合，利用GPU进行相交判断的并行计算，同时，对于不满足单精度浮点运算要求的线段对候选集合，则利用CPU并行判断每一组线段对中两条线段是否相交，最终合并CPU与GPU的计算结果。