随着对地观测技术的发展,全球海量地理环境数据的存储、表达和分析成为地理信息科学的重点和难点。虚拟地球系统在空、天、地、城市三维地理空间室内外、地上下等多源异构信息的一体化集成与表达方面,日益显现出传统地理信息系统(GIS)所不可比拟的优势。强大的信息集成能力和全球虚拟地理环境的展示能力,使得虚拟地球系统在地理分析和全球自然现象的探索方面也蕴藏了巨大的潜力,并在智慧城市和智慧地球的建设中发挥着至关重要的作用。然而,相对于硬件的快速发展和软件在信息集成及可视化效率方面的极大改进,虚拟地球系统对数据处理精度以及表达精度的研究却非常不足。这也使得目前的虚拟地球系统的功能更局限于“三维地理浏览器”,而不能走向进一步的分析应用。全球多分辨率地形建模及实时可视化是虚拟地球系统展示全球虚拟地理环境的一个关键部分,也是其它地理空间信息集成和表达的基础。目前,在地形处理方面,传统的虚拟地球系统大都采用插值方法生成规则格网模型的金字塔地形,这种方法简化后的地形精度低,失真大,容易丢失重要地貌特征信息,存在较多的不确定性问题,因而无法直接用于地理分析。而在地形的可视化方面,大多数系统都采用基于规则格网(Grid)模型的地形绘制,虽然结构简单易实现,但其绘制精度低,不能表达微地貌,且易出现大量面片冗余。再者,Grid地形不能与不规则矢量数据、地质空间数据无缝集成。相比Grid模型,不规则三角网(TIN)模型结构灵活易拓展,能克服Grid地形绘制的缺陷,但基于TIN模型的全球多分辨率地形可视化在虚拟地球中实现困难,目前研究还尚不成熟。针对这些问题,本文的主要研究工作及创新点归纳如下：(1)总结了全球多尺度地形生成和球面可视化的关键技术,讨论了基于TIN模型的全球多分辨率地形球面表达所采用的的离散网格剖分及用于TIN地形数据组织和检索的空间数据模型,深入分析了现有地形多尺度建模和实时绘制方法所存在的问题。(2)地形特征的正确表达在地形多尺度建模的质量控制中起着至关重要的作用,针对当前地形特征提取方法易受数据噪声和地物干扰的影响,对地貌类型和数据类型适用性差,在地形多尺度建模中传播错误的拓扑和语义信息等问题,提出了一种基于Voronoi图和离散曲线演化的高质量地形特征提取方法。该方法不仅对各种具有空间变异特征的复杂地貌类型具有良好的自适应性,并且对各种数据类型如规则DEM,等高线,LiDAR点云等都可以通用。(3)针对当前虚拟地球系统离线金字塔生成的多分辨率地形数据精度差,特征损失严重,分析结果不可靠以及数据大量冗余的问题,引入国家制图规范的尺度描述,以高质量的地形特征为约束,提出了一种顾及地形特征的全球多尺度TIN自动构建方法。为了解决全球多尺度TIN地形的存储和索引问题,采用了金字塔数据模型对其进行组织,并设计了一种高效的虚拟节点数据结构,将不同级别的TIN构网实施无缝分割,并实现分层分块入库,最终得到可用于实时绘制的TIN地形金字塔。在整个构建过程中,以制图规范为指导建立了金字塔的层次级别与地图尺度的关系,因而TIN地形的简化级别在金字塔的每一层都得到了严格控制,其每一层数据都符合所在尺度的精度要求,可以直接用于分析应用。(4)针对基于Grid模式的地形绘制表达精度低、结构不灵活、难以无缝集成不规则空间数据的问题,提出了一种基于TIN模型的地形可视化方法。该方法以离线的多尺度TIN地形金字塔作为数据支撑,实现多分辨率TIN地形场景的调度和实时渲染。利用TIN地形处理和存储时的相关约定,实现根据TIN地形块不同结构的关键字调度数据,并利用这些数据进行有序组织,实时生成TIN地形的渲染网格。在处理TIN地形的接边问题时,通过解码TIN地形离线处理时生成上下层接边关系编码,达到实时消除不同级别TIN地形块的边缘裂缝。(5)在虚拟地球系统中,利用本文算法及其拓展实现了LiDAR点云数据的的多尺度TIN建模、金字塔组织及其球面快速可视化；实现了海陆地形的多尺度TIN建模及快速可视化,在有效减少海面渲染面片数的同时,对海岸、岛礁等破碎地形实现了高保真度表达；利用四面体网格TEN结构对模拟数据进行体建模和八叉树组织,尝试性的探讨了地质体数据在虚拟地球中的集成和表达。