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全球立体覆盖的对地观测系统为全球变化及地球系统科学(Earth System Science,ESS)提供了丰富充足的地球系统数据。如何有效地对这些地球系统数据进行组织、表达、模拟、分析、共享与可视化是开展全球变化及ESS研究的前提。作为一种空间框架,格网常被用作上述数据处理与分析的工具和手段,然受地图投影制约,传统平面空间格网无法满足ESS大尺度研究的需要,而全球离散格网则因空间维度的缺陷,无法满足ESS多维、跨圈层等研究的需要。虽然现有球体三维格网能满足上述需要,但在粒度近似性、非重叠、地理一致性、球体定位明确性、分辨率可适应性等方面均有不足。本文以ESS空间基础框架需求为出发点,设计一种兼具上述优点的地球系统空间格网(Earth System Spatial Gird,ESSG),并以此基础开展其编码体系及在三维表达与建模应用的研究。本文的研究工作及创新点如下: 1)针对地球系统空间特征及空间基础框架设计需求,选取了球体退化八叉树格网(Spheroid Degenerated Octree Grid,SDOG)为基础格网,并分别在球体定位、径向细化及球面细化等方面进行了改进,提出了一种基于SDOG的ESSG(SDOG-based Earth SystemSpatial Grid,SDOG-ESSG),并以格子体积、面积及弧长的最大最小比为SDOG-ESSG格网粒度的度量,分析了SDOG-ESSG格网粒度的差异性和近似性,以及格子几何分布特征及相应的数量关系。 2)根据格网编码的设计原则,选取了Z曲线为SDOG-ESSG的填充编码方案。先通过改进Z曲线为类SDOG-ESSG(再细分八叉树格网)设计了一种具有良好聚簇性的逆序耦合Z曲线,然后根据类SDOG-ESSG到SDOG-ESSG的演化过程,将逆序耦合Z曲线向SDOG-ESSG推广,提出了一种适用于SDOG-ESSG且具有良好聚簇性的逆序耦合退化Z曲线填充编码方法。 3)在SDOG-ESSG的几何分布特征及格网编码方法的基础上,以经-纬-径-序坐标为纽带,通过SDOG-ESSG格网码与格网的经-纬-径-序的双向高效转化及经纬序坐标与球体坐标的双向高效转化,提出了一种高效的SDOG-ESSG格网码与球体坐标的相互转换算法。实验表明,该转换算法效率非常高,现有微机条件下每秒能实现106次编码或解码运算。 4)结合SDOG-ESSG的剖分特点,将SDOG-ESSG的层次搜索分为整体层次搜索和局部层次搜索,然后根据父级格网与子级格网的经-纬-径-序坐标关系,提出了SDOG-ESSG的整体及局部层次搜索算法;与此同时,以SDOG-ESSG的层纬域为独立单位,将层纬域内格网分为边界格网和内部格网,然后根据边界及内部格网与其邻近格网的经-纬-径-序坐标关系及经-纬-径-序与格网码的关系,提出了基于格网码的SDOG-ESSG邻近搜索算法。 5)通过将地球系统实体对象和场对象统一抽象为SDOG-ESSG格网及其属性的集合,视每个格网为一个独立的三元组(C,T,A),并区分C为内部格网码与边界格网码、区分A为共同属性与独立属性,提出了一种基于SDOG-ESSG并顾及空间拓扑的地球系统时空属一体表达模型。在此基础上,给出了地球系统对象的精细表达与变化表达方法,并进一步给出了地球系统实体与场对象及其变化的三维建模方法与精细建模方法。进而,以岩石圈板块和温度场、全球大气温度场、青海省区岩石圈层、全球电离层电子密度为例,分别实现了地球系统实体对象与场对象的三维建模、精细建模及变化表达。