对地观测技术、物联网技术、移动互联网技术的发展使得GIS数据呈现海量多维、时空相关、多维关联、实时感知、动态更新与非结构化等特征.GIS数据已逐渐成为典型的时空大数据.当前,GIS的功能正面临从海量时空数据的组织、存储与管理为主向支撑复杂模型分析的分析型GIS转变. 本文引入有机整合几何表达与代数计算、内蕴支撑高维数据分析的几何代数理论，尝试从时空表达框架、时空数据模型、时空大数据组织与数据结构、多维统一计算模板与并行计算引擎以及时空融合的大数据分析方法等视角对面向时空大数据的几何代数多维统一GIS的关键技术进行研究：①建立以双曲复空间以及时空代数空间为基础的时空统一表达模式；②建立了涵盖时空定位、几何结构、要素关系、物理属性、语义特征、演化过程整合描述的几何代数时空统一数据模型；③构建了海量数据层次检索与计算的层次张量数据结构，建立了基于层次张量结构的海量时空数据压缩及数据组织方法；④构建了基于几何代数算子的多维统一模板化并行计算引擎，实现了GIS的多维统一计算及其并行化；⑤建立了一系列面向矢量、场、网络等GIS大数据的几何代数时空分析方法；⑥形成了基于几何代数的可重用软件快速原型开发技术。对上述关键技术进行系统集成和案例验证，开发形成了基于几何代数的时空统一分析系统CAUSTA。并在数字城市、全球海面变化、复杂地理模式数据建模与分析、遥感影像与视频数据处理、网络分析与应急疏散等领域进行了应用。