随着空间数据库技术、遥感技术、信息技术等飞速发展,地理信息系统开始应用于全球性、全民性问题的解决中,为了适应新一代智能应用系统的需求,下一代空间信息处理系统必须符合人们对三维空间信息的定性描述、推理等常识性处理,用定性的语言来实现与空间数据库的交互。物体间的空间关系主要包括拓扑关系、方向关系和距离关系,在三种关系中,方向关系定性推理及查询是当前国内外备受关注的、多学科交叉的空间数据库领域的研究热点问题。二维空间方向关系在描述时有着自身缺陷,如跟踪和查询飞行物体时不能表达准确信息,不能给人以自然界的本原感受,而真实空间中的对象均包含三维空间信息。本文主要围绕三维空间中方向关系的建模、定性推理、方向关系查询等相关理论与关键技术,开展了相关内容的研究。首先,将三维空间中的参照物B体分别向xoy,xoz平面投影,得到的最小外接矩形将两个平面都划分成九个区域,用两个三行三列矩阵联合记录在xoy,xoz两个投影平面中目标物体A的真实区域落在参照物体B的哪一个区域来描述方向,分别用“1”和“0”来表示相交和不相交情况,据此提出了双投影矩阵模型。基于该模型,利用矩阵的计算性能,提出了一种三维空间方向关系的组合推理方法,解决了单方向关系与单方向关系、单方向关系与多方向关系、多方向关系与单方向关系、多方向关系与多方向关系的推理问题。将四种推理方法进行总结归纳,给出了三维空间中方向关系组合推理算法,并进行了分析比较。其次,利用内部矩形体对参照物体进行方向片划分,提出了三维空间双投影内分矩阵模型,通过内部、边界、外部三种方向关系组合表达空间方向关系,利用方向关系与拓扑关系间的依赖约束,提出方向关系与拓扑关系间的12条转化规则,根据Roop K.Goyal给出的五个模型性能指标对该模型进行性能评估,解决了在表示物体间是否相邻、相离或相交时存在的局限性。再次,针对单一的三维空间索引技术检索性能较差的问题,分析了八叉树和经典R树的优缺点,提出了一种将两者结合的混合索引技术——ORSI,给出了ORSI的原理和结构描述,对混合索引结构中的R树分割聚类算法、混合索引结构插入算法、删除算法、检索算法等进行了研究,并对其性能进行了测试分析。最后,给出了三维空间方向关系推理原型系统的设计过程,介绍了该系统的设计原则、概要设计、系统功能和主要模块的算法流程,并通过测试用例进行了验证。