Geophysical Computational Tools & Library (GCTL)

GCTL 是一个用于地球物理研究的计算工具和 C++ 库。完整的软件包由核心库和额外的库以及命令行工具组成。本库采用现代 C++ 设计，提供高性能的数值计算和数据处理功能。

主要特性

• 高性能: 采用现代 C++ 技术，支持并行计算和 SIMD 优化
• 易用性: 直观的 API 设计，完善的文档和示例
• 可扩展: 模块化设计，支持自定义扩展
• 可靠性: 完整的单元测试，异常安全保证
• 跨平台: 支持 Linux、macOS 和 Windows

库结构

1. 核心库 (gctl)

• 核心数据结构 (core/)

  • 动态数组 (array.h, array_enhanced.h)
    • 自动内存管理
    • 并行算法支持
    • 数学运算功能
    • 序列化支持
  • 矩阵操作 (matrix.h)
    • 基础矩阵运算
    • 线性代数操作
    • 分解算法
    • 特征值计算
  • 稀疏数据结构 (spmat.h, sparray.h)
    • 压缩存储格式
    • 高效稀疏运算
    • 内存优化
  • 向量模板 (vector_t.h)
    • 2D/3D 向量运算
    • 几何变换
    • 坐标系转换
  • 枚举定义 (enum.h)
    • 类型安全枚举
    • 状态定义
    • 错误码

• 输入输出 (io/)

  • DSV 文件操作 (dsv_io.h)
    • CSV/TSV 格式支持
    • 自定义分隔符
    • 表头处理
  • 文本文件操作 (text_io.h)
    • 文本读写
    • 编码转换
    • 流式处理
  • NetCDF 支持 (netcdf_io.h)
    • 科学数据格式
    • 多维数组支持
    • 元数据处理
  • 网格文件操作 (mesh_io.h)
    • 多种网格格式
    • 网格转换
    • 拓扑处理

• 数学计算 (maths/)

  • 线性代数 (linear_algebra.h)
    • 矩阵分解
    • 特征值计算
    • 线性方程组求解
  • 数学函数 (mathfunc.h)
    • 基础数学函数
    • 特殊函数
    • 插值函数
  • 形状函数 (shapefunc.h)
    • 有限元基函数
    • 节点形函数
    • 边界条件
  • FFT 变换 (fft.h)
    • 快速傅里叶变换
    • 频谱分析
    • 滤波器

• 几何处理 (geometry/)

  • 基础几何 (basic.h)
    • 点线面运算
    • 几何变换
    • 相交检测
  • 网格处理 (mesh.h)
    • 网格生成
    • 网格优化
    • 质量评估
  • 形状函数 (shape.h)
    • 几何形状描述
    • 参数化曲面
    • 边界表示

• 工具函数 (utility/)

  • 通用工具 (common.h)
    • 字符串处理
    • 时间日期
    • 日志系统
  • 算法实现 (algorithm.h)
    • 排序算法
    • 搜索算法
    • 图算法

2. 扩展库

• gctl_potential: 势场数据处理库

  • 重力数据处理
  • 磁场数据处理
  • 势场反演
  • 场源解释

• gctl_seismic: 地震数据处理库

  • 波形处理
  • 震相识别
  • 速度建模
  • 层析成像

• gctl_elecmag: 电磁数据处理库

  • MT数据处理
  • 电磁反演
  • 各向异性分析
  • 噪声处理

• gctl_optimization: 优化算法库

  • 线性规划
  • 非线性优化
  • 全局优化
  • 约束优化

• gctl_ai: 人工智能算法库

  • 神经网络
  • 机器学习
  • 深度学习
  • 模式识别

• gctl_graphic: 数据可视化库

  • 2D绘图
  • 3D可视化
  • 等值线图
  • 矢量场图

系统要求

编译器支持

• GCC 7.0 或更高版本
• Clang 6.0 或更高版本
• MSVC 2019 或更高版本

操作系统

• Linux (Ubuntu 18.04+, CentOS 7+)
• macOS (10.14+)
• Windows (10, 11)

依赖库版本

• CMake 3.10+
• OpenMP 4.0+
• NetCDF 4.6+
• FFTW 3.3+
• OpenBLAS 0.3+
• Eigen 3.3+

性能优化

1. 并行计算

• OpenMP 多线程并行
  • 自动线程分配
  • 负载均衡
  • 缓存优化
• SIMD 向量化
  • AVX/AVX2 指令集
  • 自动向量化
  • 手动优化
• GPU 加速（可选）
  • CUDA 支持
  • OpenCL 支持
  • 异构计算

2. 内存管理

• 智能指针管理
• 内存池技术
• 缓存对齐
• 零拷贝优化

3. 算法优化

• 自适应算法选择
• 数值稳定性保证
• 计算精度控制
• 资源使用优化

应用领域

1. 地球物理勘探

• 重力勘探
• 磁法勘探
• 地震勘探
• 电磁勘探

2. 地球科学研究

• 地壳结构研究
• 地球内部成像
• 地球动力学模拟
• 地震预测研究

3. 工程应用

• 矿产资源勘探
• 工程地质调查
• 环境地球物理
• 灾害监测预警

贡献指南

代码规范

• 遵循现代 C++ 规范
• 代码格式化要求
• 命名规范
• 注释规范

开发流程

1. Fork 项目
2. 创建特性分支
3. 提交变更
4. 发起 Pull Request

测试要求

• 单元测试覆盖
• 集成测试
• 性能测试
• 回归测试

版本历史

v1.0.0 (2024-01)

• 初始版本发布
• 核心功能实现
• 基础文档完成

开发计划

• GPU 加速支持
• 分布式计算
• 深度学习集成
• 实时处理优化

联系方式

技术支持

• 邮箱: yizhang-geo@zju.edu.cn

致谢

感谢以下机构和个人的支持：

• 浙江大学地球科学学院
• 国家自然科学基金委员会