Julia程式語言:地球物理研究的新選擇

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一、Julia程式語言簡介

Julia是一種新的程式語言，一種函數式程式語言，一種面向科學技術計算的高性能動態高級程序設計語言。Julia程式語言具有通用、動態、快速、開源、易於使用等特點。

Julia程式語言設計項目大約開始於2009年中，由麻省理工學院（MIT）計算機科學與人工智慧實驗室（CSAIL）研發和發布，Julia語言的主要創造者包括Viral Shah博士、Alan Edelman教授、Jeff Bezanson博士和Stefan Karpinski。2012年MIT發布了Julia的第一個版本（0.1版），目前的最新版本是1.1版。近年來，Julia 語言成為全球熱度上升最快的程式語言之一，截止2019年2月27日下載量已超過 400 萬次，下載者包括谷歌、Facebook、FAA 和美國能源部等部門的開發者，Julia社區已經註冊了數千個軟體包。Julia開發環境已經支持Windows、MacOS 、Linux、FreeBSD等多種作業系統平臺。

從Julia官網上可以看到Julia已經在諸多行業獲得應用，下面列出了若干個典型應用：

   （1）Racefox公司用Julia語言開展機器學習研究，對運動圖像進行數位化分析和訓練指導。

   （2）普林斯頓大學用Julia語言開展機器學研究與建模。

   （3）Laketide公司用Julia語言開展人工智慧與機器學習研究，開展產品開發。

   （4）Riken公司用BioJulia軟體寶開展RNA測序研究，開發了一種新的單細胞RNA測序方法。

   （5）巴西國家空間研究所用Julia開展空間發射規劃。

   （6）歐洲最大的保險公司之一Aviva用Julia進行償付能力和合規性分析。

   （7）美國國家能源研究科學計算中心（NERSC）研究人員用Julia在超級計算機上進行空間圖像分析，可在15分鐘對1.88億個天文對象編目，速度提高1000倍。

   （8）Fugro Roames用Julia進行機器學習，識別電網系統網絡故障或潛在故障，速度提高100倍。

   （9）美國聯邦航空管理局正在用Julia開發下一代空間碰撞防範系統。

   （10）Now-Casting Economics公司用Julia進行宏觀經濟建模，建模周期從數周縮短到數天。

   （11）MIT用Julia進行機器人研究，解決上樓梯、危險環境、複雜地形清淨下的行走問題。

   （12）AOT能源用Julia進行期權價格分析、線性規劃和市場模擬。

   （13）加州大學伯克利分校在自動駕駛項目中用Julia進行預測控制優化建模。

   （14）英國癌症研究者用Julia進行腫瘤生長建模和癌症基因告知解釋研究。

我們在上一篇文章（《Julia：一種新的科學計算程式語言》）中已經詳細介紹了Julia程式語言的特點和主要應用領域，本文將介紹Julia語言在地球物理研究中的應用情況。

二、地球物理研究採用Julia程式語言的理由

長期以來，在地球物理勘探產品研發中廣泛採用的是C/C++、Java等程式語言，而地球物理研究特別是高等學校的師生們中廣泛採用的是Matlab、Fortran和C語言。

Julia語言作為一種新的程式語言，能否在地球物理研究中取得好的應用呢？或者說為什麼我們要將其應用於地球物理研究中呢？我想理由有三：

（一）易於獲得和使用

Julia語言開發工具是開源、免費的，可以很方便地從網絡上下載、安裝部署，支持Windows、MacOS 、Linux、FreeBSD等多種作業系統環境，這對於一般研究者來說很重要。

具有Matlab、R、Python等語言編程經驗的研究者可以快速遷移到Julia語言編程。

（二）具有適合地球物理研究所需要的豐富的數據處理功能

Julia程式語言的設計從根本上講非常擅長數值計算和科學計算，內置了豐富的線性代數計算函數，提供了連接R、Python、Java和C等其它語言的程序接口，而且具有豐富的擴展軟體包可供選擇使用。

目前已經有用Julia語言編寫的大量科學計算工具，這些工具正是地球物理研究工作中不可缺少的，例如：

通用編程：DataStructures，LightGraphs

般數學運算：Calculus，DataFrames，StatsBase，Distributions，HypothesisTests，GLM

微分方程生態系統：DifferntialEquations.jl

最優化工具：JuMP.jl，Optim.jl，Roots

迭代線性求解器：IterativeSolvers.jl

資料庫連接：ODBC，JDBC

用戶界面構建與可視化：Gadfly，PyPlot，Interact

機器學習與深度學習：Knet，Clustering，DecisionTree

文件與數據格式處理：JSON，HDFS，JLD

與其它語言的互操作：RCall，JavaCall，PyCall

活躍的Julia生態系統中有一群來自科學界各個領域熱情的開發者和維護者，這個生態系統將持續變得越來越大，這為地球物理研究提供了豐富的共享代碼資源。

（三）計算性能卓越且支持並行計算

Julia語言具有極其卓越的計算性能，甚至能接近包括C語言在內的靜態編譯語言，而地球物理研究中對計算性能有較高的要求，而Matlab等常常不能滿足要求。

Julia專為並行性而設計，並為各個級別的並行計算提供內置基元：指令級並行，多線程和分布式計算，這樣為地球物理研究提供了極大的便利性。

Julia編譯器還可以為各種硬體加速器生成本機代碼，例如GPU和Xeon Phi。諸如DistributedArrays.jl和Dagger.jl之類的軟體包為並行性提供了更高級別的抽象。

三、基於Julia語言的地球物理擴展軟體包

據筆者的初步調研（基於Julia語言擴展軟體包網站pkg.julialang.org和開源軟體管理網站GitHub查詢），基於Julia程式語言開發的地球物理擴展軟體包主要包括以下幾種：

（1）SeismicJulia軟體包

SeismicJulia軟體包由加拿大阿爾伯塔大學的信號分析與成像研究組(SAIG，其主頁地址為http://saig.physics.ualberta.ca)貢獻，是一組基於Julia用於讀、寫及處理地震數據的工具，具體內容下一節再重點詳加介紹。

代碼下載地址：https://github.com/SeismicJulia/Seismic.jl。

（2）TeaSeis軟體包

這是雪佛龍能源技術公司開發的JavaSeis地震數據文件IO的Julia語言實現，主要用於讀寫JavaSeis格式的地震數據文件，這種數據文件格式應用於多個地震軟體項目中，如Landmark公司的SeisSpace。

代碼下載地址：https://github.com/ChevronETC/TeaSeis.jl。

（3）SeisPlot軟體包

這是一個地震道繪圖擴展軟體包，也是由加拿大阿爾伯塔大學的信號分析與成像研究組開發。

代碼下載地址：https://github.com/SeismicJulia/SeisPlot.jl。

（4）Seis、SAC、SACPlot軟體包

利茲大學地球與環境學院的Andy Nowacki用Julia語言開發了一組地震數據處理軟體包，其中Seis是一個地震信號分析框架，SAC是一個SAC格式地震數據處理軟體包，SACPlot是一個SAC格式數據文件地震道繪圖擴展軟體包，與SAC軟體包配套使用。

代碼下載地址：https://github.com/anowacki/Seis.jl，

https://github.com/anowacki/SAC.jl，

https://github.com/anowacki/SACPlot.jl。

（5）JuMIT和SeismicBSS軟體包

MIT的Pawan Bharadwaj開發了JuMIT和SeismicBSS兩個Julia擴展軟體包。JuMIT是一個地震波場模擬與反演工具包，其中包含了豐富地震波場正演模擬和反演模塊，值得研究和借鑑；SeismicBSS是一個盲源地震信號分離處理擴展軟體包。

代碼下載地址：https://github.com/pawbz/JuMIT.jl，

和https://github.com/pawbz/SeismicBSS.jl。

（6）GroundMotion軟體包

這是一個天然地震研究中的地面震動評估擴展軟體包，由俄羅斯地球物理技術公司（主頁：https://geophystech.ru）的Roman和Andrey Stepnov開發。

代碼下載地址：https://github.com/geophystech/GroundMotion.jl。

（7）SeisIO軟體包

有兩個SeisIO軟體包，一個是美國喬治亞理工大學SLIM（地震成像與模擬實驗室）研究組（主頁：https://slim.gatech.edu）開發的，主要功能是SEGY地震數據的讀寫，支持多文件的並行掃描；另一個是Joshua Jones個人開發的，主要功能包括SAC和（SeisIO）本地格式等多種格式地震數據的讀寫、時間同步、數據合併、補邊和基本處理。

代碼下載地址：https://github.com/slimgroup/SeisIO.jl，

和https://github.com/jpjones76/SeisIO.jl。

（8）PlotSeis軟體包

開發了SeisIO軟體包的Joshua Jones，還開發了一個支持SeisIO.jl的地震數據可視化工具軟體包PlotSeis，但這個軟體包2017年後未見更新。

代碼下載地址：https://github.com/jpjones76/PlotSeis.jl。

四、Seismic地震數據處理擴展軟體包介紹

 SAIG研究成員

加拿大阿爾伯塔大學信號分析與成像研究組(SAIG)的Aaron Stanton、Mauricio D. Sacchi和Nasser Kazemi於2016年在維也納召開的EAGE開源軟體研討會上以「用Julia語言開展高效的地球物理研究（Efficient Geophysical Research in Julia）」為題報告了他們的研究成果。他們開發了一組用於地震數據讀寫和處理的Julia軟體包，工具包總的名稱為SeismicJulia，訪問地址為https://github.com/SeismicJulia/，其中包含了多個Julia軟體包：

SeisMain.jl：SeismicJulia主軟體包

SeisAcoustic.jl：聲波模擬與成像軟體包

SeisProcessing.jl：地震數據處理工具

SeisImaging.jl：地震成像工具

SeisReconstruction.jl：地震數據重建工具

SeisPlot.jl ：繪圖工具

這是SAIG設計的SeismicJulia總的軟體包結構，部分功能尚沒有多少內容，內容還不完整，仍處於開發中。而基於Julia v0.6版本開發的地震數據讀寫和處理工具包的名稱叫Seismic.jl，其代碼訪問地址為https://github.com/SeismicJulia/Seismic.jl，文檔訪問地址為http://seismicjulia.github.io/Seismic.jl/。下圖是Seismic軟體包在GitHub上的主頁：

Seismic擴展軟體包在GitHub上的頁面

Seismic.jl包含功能如下圖所示：

Seismic擴展軟體包主要功能組成

由圖可見，Seismic擴展軟體包主要功能組成包括四個方面，即實用工具包、處理功能包、成像功能包和求解器功能包。詳細功能如下：

（1）實用工具包

格式轉換：SEGY，SU和RSF格式間的互轉

內部格式的讀寫

時窗選取

觀測系統

道頭統計

選排

面元定義

補邊與反補邊

理論子波計算

（2）處理功能包

相似度

正常時差校正

切除

增益

疊加

帶通濾波和FK扇形濾波

拉登變換

五維插值

構造平滑

FX反褶積

平面波分解傾角估計

振幅包絡

…

（3）成像功能包

（4）求解器功能包

點積測試

基於內存或磁碟的預定義共軛梯度

迭代再加權最小二乘法（IRLS）

快速迭代軟閾值算法（FISTA）

五、Seismic使用說明和編程示例

在安裝好Julia開發環境後，使用Seismic.jl軟體包以前，需要安裝並檢查最新版本，這可在Julia命令行上運行下列命令即可：

Pkg.add(「Seismic」)

Pkg.checkout(「Seismic」)

下面給出了一個代碼示例和對應的繪圖輸出結果。代碼中通過幾個簡單的Julia函數實現了SEGY格式地震數據下載、格式轉換、時窗設置、數據讀取、地震剖面繪圖等功能，其中用到了PyPlot繪圖軟體包。 

基於Seismic軟體包的編程示例代碼

 上述Seismic編程代碼的繪圖輸出

六、結束語

Julia是一種新的程式語言，一種面向科學技術計算的高性能動態高級程序設計語言。Julia免費開源、簡單易用、性能卓越、支持並行，具有地球物理研究所需要的豐富的數據分析處理功能，也有豐富的擴展軟體包資源可以共享，一些研究者已經基於Julia語言開發了多個地震數據分析處理工具包，這些都為Julia語言在地球物理中的應用打下了良好的基礎。

我們相信，Julia程式語言將成為一種新的有效的地球物理技術研究工具。

2019年3月5日

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