海洋科学在20世纪后半叶得到迅速发展,人们逐渐认识到海洋在全球环境与人类社会可持续发展中发挥着至关重要的调节作用。从20世纪90年代起,远洋与近海并重已经成为国际海洋学的研究趋势,并呈现出鲜明的全球性、整体性、系统性的特点。全球海洋水体研究是从全球视角研究海洋环境的基础,在洋流监测、气象预报、防灾减灾、环境治理、极地科考中都占据着重要地位。在全球范围对海洋水体、两极冰体进行三维建模、仿真和分析成为国内外研究的热点。本文针对全球海洋水体、极地冰体的三维建模与可视化需求,从三维几何模型、全球海洋水体网格模型、数据组织存储模型等方面展开研究,主要成果有:1、通过分析全球海洋水体的空间结构特征,提出空间要素的几何形态与空间要素所在空间维度存在如下关系:空间要素的维数与其所在空间的空间维数相等时,要素的边界就代表了其几何形态;当空间要素的维数低于其所在空间的空间维数时,要素的边界并不能代表要素的几何形态,还需要增加若干低维的型值点或型值线(也称骨架线)才能完整描述空间要素的几何形态。在此基础上,提出了“上、下表面缝合于海岸线构成海洋水体几何边界”的全球海洋水体宏观几何形态的概念模型。其中,近似球面的海洋大地水准面或实测的海洋上表面为全球海洋水体的上表面,崎岖不平的海底地形表面为下表面,上、下两个曲面缝合于海岸线构成海洋水体几何边界。全球海洋水体三维几何模型为建立全球海洋水体空间网格,并在此基础上构建全球海洋环境数据组织管理提供了理论支撑。2、提出了全球海洋水体菱形棱柱网格模型。首先,基于正八面体的球面四元三角网格(QTM)设计了地球表面菱形网格划分方法,并通过径向划分实现对全球海洋水体的立体网格剖分,形成基于八叉树规则的菱形棱柱立体网格剖分模型。然后,设计了菱形棱柱网格单元编码方案及其与空间坐标的换算方法。实验结果表明,基于菱形棱柱网格实现了对全球海洋水体规则化、多层次、唯一性的剖分与编码,为全球海洋环境数据组织提供了基础。3、针对全球海洋环境数据多源、多分辨率、海量的特点和集成管理的应用需求,设计了菱形棱柱网格存储方案,论述了影像、高程、海水场数据(温度、盐度、密度等)向菱形棱柱网格转换的流程;提出了稀疏八叉树索引构建与检索算法,并基于关系数据库进行了具体实现。4、针对海水场数据立体网格化处理中的插值问题,提出了基于菱形棱柱四面体细分的体函数插值算法。首先,设计了菱形棱柱网格单元的顶点排序方法,提出了菱形棱柱网格单元的四面体细分算法。然后,分析了体函数的数学模型与拟合方法,提出了基于四面体的体函数插值算法。5、开发了全球海洋水体三维建模与可视化试验系统,实现了对全球海底地形、海面高度、海水数据场等基础环境数据的统一组织与管理,在中国周边海水温度、盐度、密度数据组织和三维可视化、海洋水体数据建模等典型任务中得到应用,验证了基于菱形棱柱立体网格的全球海洋水/冰体三维几何模型与属性场数据组织模型的有效性,为全球海洋水/冰体环境研究提供了新的工具和方法。