FWI multiescala: uma implementação em GPU

• Ano de defesa: 2018
• Autor(a) principal: Ramalho, Victor Koehene
• Orientador(a): Pestana, Reynam da Cruz
• Banca de defesa: Silva, Michelângelo Gomes da, Ladino, Oscar Fabian Mojica, Pestana, Reynam da Cruz
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto de Geociências
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós Graduação em Geofísica
• País: Brasil
• Palavras-chave em Português: FWI; Multiescala; GPU
• Área do conhecimento CNPq: Geofísica Aplicada
• Link de acesso: http://repositorio.ufba.br/ri/handle/ri/27134

A inversão completa da forma de onda (FWI - do inglês full-waveform inversion) é atualmente uma das principais ferramentas para determinar modelos de velocidades da subsuperfície com alta resolução. Nessa dissertação, a FWI no domínio do tempo é introduzida e desenvolvida sob a ótica da implementação, na seguinte sequência: modelagem sísmica, migração reversa no tempo (ou reverse time migration, RTM) e FWI. É mostrado que a RTM, do ponto de vista computacional, equivale a duas modelagens sísmicas, ou três modelagens se for usada a implementação com borda efetiva. A abordagem da FWI como um problema iterativo que visa minimizar o resíduo dos dados sísmicos mostra que o gradiente de cada iteração é, pelo método adjunto, equivalente à RTM do resíduo. Dessa maneira, usando RTM com borda efetiva e um método de estimação do passo, é mostrado que uma iteração da FWI é computacionalmente equivalente a quatro modelagens sísmicas. Como se sabe, a modelagem é um processo muito intensivo computacionalmente, e dentre as formas eficientes de resolver esse problema se destaca o uso de computação paralela. Nessa dissertação, se escolheu a paralelização utilizando placas gráficas (ou graphics processing unit, GPU) que possui alta capacidade de cálculo de pontos flutuantes, porém baixa eficiência na transferência de dados. Tais características se adequam muito bem ao problema de extrapolação de campos de onda no tempo, em especial no cálculo do Laplaciano da equação da onda acústica em cada ponto do modelo, que correspondem a quase todo o tempo computacional da modelagem, custo esse que, paralelizado em GPU, mais que compensa as transferências de memória CPU-GPU inerentes ao problema. A GPU, todavia, tem uma restrição de memória, tipicamente variando entre 2, 5 e 12 GB. Nessa dissertação, então se focou em técnicas que permitem a economia de memória em troca de processamento. Dentre essas implementações, destaca-se o uso de borda efetiva na RTM e o uso do método de expansão rápida (REM), que permite extrapolação a maiores intervalos de tempo, reduzindo o número total de amostras temporais que precisam ser armazenadas e transferidas na memória do equipamento utilizado. A implementação em GPU também permitiu testar em tempo hábil alguns dos fatores mais importantes que influenciam a FWI. Foram testados, numa malha regular: quatro operadores de modelagem - diferenças finitas (DF), pseudo-espectral (PS), REM-DF e REMPS-; as condições de borda absorvedora taper e perfectly matching layer (PML); e os métodos de inversão conjugado gradiente não linear (CGNL) e L-BFGS. Os resultados desses testes permitiram selecionar os melhores critérios para execução da FWI em modelos de velocidades sintéticos, porém de geologia complexa. O uso da metodologia multiescala, essencial para evitar convergência a mínimos locais, associado a uma modelagem extra para obtenção de um passo adequado, permitiu a obtenção de resultados finais de alta resolução para os três modelos testados.