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数字地层是数字城市的重要组成部份,在"数字地层"基础上建立土木工程一体化分析平台是数字城市、土木工程建设中勘测、设计、分析一体化的体现.建立三维城市地层信息系统是实现数字地层的有效途径.全文以三角形、四面体单纯形体为基本元素,Delaunay三角化算法为主线,对三维地层信息系统中的可视化建模、数据模型、插值算法、可视化与空间分析、工程应用等关键技术进行了全面、系统、创造性的研究.1.该文首先对地层信息系统的模块框架结构进行了功能分析与设计.在确定地层信息系统的基本功能的基础上将该系统分为数据管理子系统、专业建模子系统、可视化子系统、空间分析子系统、专业应用子系统等基本模块并对每个模块结构框架进行分析与设计.2.基于单纯形体(2D中的三角形,3D中的四面体)的结构化网格对于自然物体建模非常有意义和有效,因为它们以简单的边界(2D中的边,3D中的三角形)为填充任意边界提供了极大的灵活性.Delaunay算法因其众多优点而成为网格剖分的主流算法,该算法是该文实现三维地层建模的核心算法.3.三维地层建模是SIS中的关键技术.该文提出了地层2D竖直剖面模型、2.5D叠层TIN模型、3D真三维TEN模型.这三种模型在构模方法、数据结构、可视化表达等诸多层面上得到了有机的统一,具有充分利用计算机、适应性强、便于可视化等特点.将地质勘探中的地层数据抽象为离散点源信息,设计了钻孔的二分拓扑数据结构,基于Delaunay算法实现了上述2D、2.5D、3D模型的建立,该建模方法能初步处理断层、尖灭等突变信息.4.数据模型与结构是3D GIS研究的基本课题.论文采用面向对象的方法把基于剖分的单纯形数据模型与传统的GIS数据模型结合在一起,提出并建立了一个便于继承、组合、多态的较完整的三维数据模型与结构---面向对象的单纯形剖分与GIS一体化三维数据模型.5.插值算法常用于拟合空间离散数据点,该文采用三角形细化来逼近平滑曲面从而实现地层模型的细化建模.基于分片多项式插值法,实现基于TIN的空间数据平面插值算法与二元五次C1连续插值算法.采用学者姜寿山提出的分片有理插值法,实现了基于任意拓扑的空间三角形的G1连续插值算法.6.3D SIS中各类信息的直观表达体现于可视化.采用通用三维图形可视化平台实现三维地层信息系统中可视化功能,在系统框架的集成上采用面向对象的技术实现可视化平台与系统的无缝连接,并对其进行了初步设计.7.空间分析是3D SIS生命力的体现.论文基于面与四面体整体剖切的拓扑关系,完成了三维地层的任意四面体剖切操作与可视化.基于多边形面与四面体整体、局部剖切的拓扑关系实现了面、多边形、多面体对三维地层的任意、实时切割.8.最后将该文在三维建模、可视化、空间分析等方面的研究成果应用到两个工程实例:上海宝钢一工业建筑的桩基基础工程与上海复兴东路越江隧道工程.