随着“数字地球”、“数字中国”、“数字城市”、“数字矿山”、“数字油田”、“数字铁路”等概念的相继出现，三维地学模拟受到了越来越多专家学者的重视。三维地学模拟中的地质模型一直是三维地学模拟中的重点和难点之一。到目前为止，国内外已经有很多学者对三棱柱建模、NURBS曲面建模、混合建模等进行了有益的探索与尝试，并将其应用到了矿山建模、工程地质建模、水利水电工程建模中，取得了不错的效果。四面体是三维中的单纯形，四面体网格模型(TEN)是二维不规则三角网模型(TIN)在三维上的拓展与延伸，以四面体为基本元素来建立空间实体的三维模型，不仅可以描述空间实体的表面形态，而且还可以精确表达空间实体内部的不均一性，精确控制网格的尺寸大小，有效地进行三维插值运算及可视化分析。因此，国内外专家学者都认为它适用于地质建模，也有部分学者已经在这方面进行了相关研究。但由于四面体网格剖分算法的复杂性，特别是对于加入了断层等约束条件的四面体网格剖分的复杂性，使得目前四面体网格模型还未真正应用到地质领域中。　　 因此，本论文的主要目标就是深入研究约束四面体网格数据结构与生成算法，进一步丰富与完善3D TEN的相关理论与技术。同时，以四面体网格模型为基础，建立三维空间地学模型，进行地学模拟，并结合体视化技术以图形图像方式逼真再现三维地学实体，为三维地质建模及可视化系统研究奠定技术基础。　　 针对传统四面体网格模拟时数据量大，显示速度慢，地质建模时断层等约束不容易模拟的问题，本论文对四面体网格模型的数据结构、生成算法，特别是约束四面体网格的生成算法进行了深入的研究，吸收借鉴了大量国内外三维地学模拟在空间数据模型、复杂地质体结构建模、四面体网格模型、神经网络等方面的研究成果，提出了“TIN+TEN”的混合建模方案，以约束四面体网格模型为主，TIN模型为辅来进行建模，解决了三维地质建模中的一些技术难题，为三维地学模拟研究做了很好的探索与开拓。　　 在整个研究过程中，本论文主要完成了以下研究工作：　　 l、在论文的第一章，就国内外在三维地学模拟方面的研究现状做了简单地回顾和总结，同时指出了四面体网格结构在三维地质建模中的优势以及目前的应用现状与产生的原因，并在此基础上确定了论文的主要目标、研究内容以及论文的组织结构。　　 2、在论文的第二章，阐述了三维地学模拟的基本概念，分析了目前三维地学模拟中面临的主要困难，总结了三维地学模拟的体系结构，论述了三维地学模拟的主要应用领域，最后，就三维地学模拟的发展趋势进行了展望。　　 3、在论文的第三章，全面归纳总结了现有的三维数据模型以及各自的特点，提出了采用四面体TEN模型作为三维地质建模的核心数据模型，并配合TIN模型作为三维地质建模系统的数据结构。此外，在对目前的三种经典的四面体网格生成算法进行比较分析的基础上，选择了Delaunay准则法，并设计了相应的存储数据结构。　　 4、在论文的第四章，首先分析比较了几种常见的Delaunay四面体网格生成算法，在此基础上提出了一种改进的逐点插入法实现了四面体网格的生成，并对四面体网格的更新算法，特别是在网格中插入、删除和移动点的算法进行了探讨，并予以实现。此外，对基于神经网络的四面体网格生成算法进行了一定的研究。　　 5、在论文的第五章，针对地学现象中常见的断层、采空区等特殊现象，提出采用约束四面体网格来进行模拟的方法。并对约束四面体网格的构造流程进行了详细分析，　　 特别是分析了其中约束边和约束面的算法，并予以实现。　　 6、在论文的第六章，主要讨论了基于四面体网格的三维空间分析算法，如表面积与体积计算等几何分析、空间插值、等值线、等值面生成等可视化操作。利用空间信息分析技术，通过对原始数据模型的观察和处理，用户可以获得新的经验和知识，并以此作为空间行为的决策依据。　　 7、在论文的第七章，就四面体网格优化方面的一系列问题进行了讨论。首先概括了网格衡量标准，以及改进网格质量的一些方法，然后详细论述了本文采用的Delaunay优化算法。此外，对自适应的网格剖分进行了初步研究。　　 8、在论文的第八章，详细讨论了四面体网格在地学中的几种应用，对简单地层、断层、褶皱、矿体等的建模、储煤量计算等问题给出了基于约束四面体网格的解决方案。　　 9、论文最后一章对研究工作进行了全面总结并进一步指出了下一步的研究方向和主要要解决的问题。　　 本论文的研究特色、工作成果与主要创新点主要体现在以下几个方面：　　 l、结合前人工作以及三维地学模拟实践，进一步丰富完善细化了三维地学模拟的体系结构。　　 2、系统研究了三维地学模拟中常见的三维数据模型和建模方法，较为全面地分析了三维地学模拟在矿山、城市地质、岩土工程、水利水电工程、地下水等领域中的研究现状和应用前景后，提出以约束四面体网格模型为主，TIN模型为辅的三维地质模型的组织方式。　　 3、深入研究了目前四面体网格中常用的几种数据结构，并在Muck的基于三角形面的数据结构和Shewchuk的基于四面体网格的数据结构的基础上，提出了一种新的四面体数据结构，利用该结构可以方便地进行拓扑分析，完成边界面的查找，实现四面体网格到TIN表面模型之间的转换。　　 4、深入比较研究了现有的一些四面体网格生成算法，在此基础上，以Delaunay准则为基础，结合前面的四面体数据存储结构，实现并基于一种改进的逐点插入法来生成四面体网格模型。　　 5、系统研究了受约束的四面体网格生成算法，在前人的工作基础上，设计并实现了一种任意约束的四面体网格生成算法，并予以实现。　　 6、在前人的基础上，发展了一系列基于四面体网格模型三维空间分析操作和方法。　　 7、利用实验数据对论文中提出的主要算法进行了实验分析，验证了其正确性和可行性。