在城市轨道交通建设迅速发展的大背景下,城市轨道交通线路设计面临着极其繁重的任务。由于城市轨道交通线路多处于城市中心区,地上建筑物和地下构筑物情况复杂,潜在冲突多,传统的二维设计环境不易直观地发现各种潜在冲突,设计效率低,容易造成设计缺陷,已难以满足城市轨道交通线路设计工作的需求。因此,建立一个能够满足复杂城市环境下轨道交通选线要求的三维地理环境,实现在三维环境中进行线路方案设计与决策,提高设计效率和设计质量、减少冲突成为城市轨道交通线路设计研究领域亟待解决的课题。基于这一思想,本文以“城轨线路三维可视化设计基础理论和方法”为主题,对其中的所涉及的理论方法和关键技术进行了研究,从建模方法和算法方面提出了一整套方法并予以实现。主要研究内容及研究结果如下：(1)实现了基于Google Earth的空间地形数据、影像数据、建筑物高度等数据的自动、快速和批量提取方法。提出了基于Google Earth和硬件GPU技术的城市场景快速三维建模方法,满足城市轨道交通线路三维设计的要求。(2)针对大量管线类地下结构物的特点,提出了任意多边形断面沿着管线中心线纵向分段插值延伸的统一建模方法,使地下线状结构物建模统一和快速。算法能够对圆形、非圆形断面的管状实体建模,具有较好的通用性。(3)基于参数化方法、GIS技术、透明融合技术、单元模型方法、三维图形库建模的混合建模方法,实现了城市轨道线路高架桥梁、地下隧道、路基、车站的快速、多样性景观为一体的三维快速建模方法。算法对公路、铁路等其他线路的三维建模也具有较好的参考价值。(4)实现了地下水位分层三维建模和基于GTP体元的三维地质体建模集成的建模方法,建立了满足城轨道交通线路设计要求的三维带状地质模型。(5)基于三维场景中的空间交互查询技术、三维跟踪球算法,直接在三维环境中生成线路中心线三维模型。建立了三维空间冲突实时判断方法,通过三维交互技术、实现在三维场景直接拖动三维线路中心线模型,达到动态可视化线位调整和冲突判断的智能提示,建立了一套可行的城市轨道交通线路三维设计方法。(6)基于本文提出的方法建立了城市轨道交通三维线路设计原型系统,可较容易的开发实用的集遥感技术、虚拟现实技术、数字地质技术、三维建模技术、空间数据库等技术的三维可视化设计系统。本文的研究虽然是针对城市轨道交通线路设计问题进行的,但其研究成果也可直接应用于铁路、公路三维线路设计以及数字城市和数字管线的应用研究。