地裂缝灾害是一种典型的区域性、缓变性地质灾害,已经严重危害了城市房屋建筑、道路桥梁、地下管道等市政设施和各类城市建设和居民的生活安全,给城市规划与经济发展带来广泛而又深刻的影响。城镇化与地质信息化建设对地裂缝灾害防治提出了新的挑战,急需充分利用多源异构的地裂缝数据,建立全局高效、局部保真的复杂地裂缝三维结构模型,辅助地质专业人员直观地认识地裂缝灾害影响的地下空间实体的空间结构,加强对地裂缝地质构造的判别能力,从而科学地指导工程实践,为城市地下空间的合理规划利用及区域发展提供可靠技术支撑。本研究综合利用3DGIS和3DGMS技术,针对地裂缝这一特殊的城市地质灾害现象,系统探究了地裂缝多源异构数据的特点及其集成处理、地裂缝三维空间数据模型、地裂缝三维建模方法的相关理论方法与关键技术等研究内容。本文主要研究内容有:(1)在分析地裂缝实体对象特征及地裂缝数据多源异构特点的基础上,提出了依据标准地层进行地裂缝空间数据的标准化、参数化提取方法。为能够综合利用地裂缝多源异构数据对复杂的地裂缝空间几何形态进行高保真模拟表达,提出了面向源和面向对象的空间数据集成组织方法,为地裂缝空间几何数据集成处理提供了一种新的解决方案。(2)针对地裂缝空间几何特征,提出了几何-语义统一的地裂缝空间数据模型。基于面向对象的思想,将地裂缝实体对象按照不同尺度、不同精度要求进行表达。点状的地裂缝实体采用空间几何点描述;线状的地裂缝实体采用首尾相连的弧段描述;面状的地裂缝实体采用B-rep描述;体状的地裂缝实体根据表达需求选用不同的表达方法:一是构成体的边界面(平面、曲面)表示的模型;二是由经过剖分的实体网格构成的体元模型;并设计了相应的数据结构。(3)提出了三维地裂缝数学建模算法,并界定了其适用范围与条件:以钻孔和地裂缝地表勘测数据为核心数据源,用多个平面的组合表达区域内地裂缝空间延展形态及分布规律。算法的显著优点在于充分顾及了地裂缝数据稀疏且分布不均匀的特点,能够动态、快速、高效构建研究区域内地裂缝三维模型。采用该方法建立的地裂缝三维模型能够反映区域内地裂缝空间分布及发育规律,并能够用于对研究区域外的地裂缝空间分布进行预测。(4)在微观局部区域地裂缝数据丰富的情况下,提出了基于剖面数据的“控制线”法建模思想及构模步骤,并对该方法中的关键技术问题——对应问题、分支问题、拼接问题、光滑问题进行了详细阐述。该方法能够逼真再现地裂缝三维模型的细节特征(如:断距、厚度、倾角),并且能够与周围地层无缝拼接。(5)设计实现了复杂地裂缝三维可视化与空间分析原型系统,并以西安地裂缝为例,验证了三维地质模型(地质体模型、地裂缝模型)与工程模型(地铁隧道)缩放、浏览、漫游、剖切等功能。