虚拟现实（Virtual Reality,VR）一般特指可穿戴式虚拟现实,它通过头盔式显示器、手部控制器等交互设备,对包括视觉、听觉、触觉在内的多种人体感知功能进行模拟,它能够使用户完全沉浸于虚拟世界之中,以自然行为与虚拟世界中的物体进行互动。在地理信息领域,VR的应用有效弥补了传统地理信息被动认知的缺陷,使得用户可以以一种更加主动的方式去剖析地学数据中隐含的深层意义,是3D-GIS未来发展的重要方向之一。虚拟地球（Virtual Globe）作为新一代的3D-GIS平台及“数字地球”的重要载体,实现了包括影像、地形、大气、海洋、城市在内的多源多尺度空间数据的统一管理及可视化。将VR技术与虚拟地球技术结合,实现面向VR的虚拟地球,即VR地球（VR Globe）,不仅能够从全球到局部,从室外到室内表达地理环境,使用户身临其境地浏览地球上任意角落的虚拟场景。同时还可以利用VR特有的场景交互方式,设计出复杂的交互策略来满足不同空间数据的应用需要,真正做到了多源、多尺度空间数据的交互式可视化。从目前研究来看,要实现VR技术与虚拟地球技术两者的结合,至少需要解决以下三个方面问题。首先,在VR交互方面,现有VR系统主要通过位置跟踪技术来实现用户行为从真实空间到虚拟空间的映射,由于用户在真实空间中的可移动范围不可能无限延伸,因此,如何在有限真实空间内实现全球室内外多尺度三维场景的VR漫游与交互是有待解决的第一个核心问题。其次,在VR绘制方面,VR特殊的双目绘制机制使得场景在一帧内需要连续绘制两遍,而虚拟地球场景,尤其是包含精细模型的三维城市场景,其场景复杂度远高于一般可视化系统,因此,如何在双目绘制机制下保证VR地球的绘制效率是有待解决的第二个核心问题。最后,在VR眩晕方面,眩晕感是影响用户体验的重要因素之一,尤其是在大范围三维场景中进行浏览时,眩晕现象会变得更加明显,因此,如何缓解VR地球浏览过程中的眩晕感是有待解决的第三个核心问题。为了解决以上问题,论文主要研究内容与章节安排如下:第一章为绪论,重点探讨了3D-GIS向VR、虚拟地球向VR的两个发展趋势及面向VR的虚拟地球形成背景与意义,论述了VR-GIS是3D-GIS未来发展的重要方向,而虚拟地球作为新一代的3D-GIS平台,其向VR发展,不仅能够进一步发挥虚拟地球在空间数据表达上的优势,也为虚拟地球向更加专业化的3DGIS平台转换提供有力支持。第二章对现有虚拟地球相关理论与方法进行了介绍,以便后续引入VR地球相关方法。该章主要包括三部分内容:用于实现全球多源异构空间数据统一组织与管理的全球离散格网模型;用于实现真实地球在计算机中1:1建模的全球多尺度空间数据模型;用于实现全球三维场景高效渲染的全球三维场景绘制方法。第三章提出了一种面向VR地球的场景交互方法,用于解决VR用户与全球室内外多尺度三维场景的漫游交互问题。该方法主要包括两部分内容:首先,设计了一种真实空间到虚拟地球空间的映射模型,该模型通过建立真实空间与虚拟地球空间的位置映射关系,使用户能够通过自然行为与全球任意位置、尺度的三维场景进行互动;其次,在空间映射模型基础上研究了一种VR视点矫正算法,该算法将碰撞检测与响应技术和空间剖分与检索技术进行了结合,通过实时对VR视点位置进行矫正,使得用户在室内、近地表等复杂场景也能进行正确的VR漫游与交互。第四章提出一种面向VR地球的双目并行绘制方法,用于解决双目绘制机制下VR地球绘制效率较低的问题。该方法主要包括两部分内容:首先,设计了一种双目并行绘制模型,该模型通过将VR左右相机的绘制任务分配到不同CPU核心上进行处理,实现双目场景的并行渲染;其次,在并行绘制模型基础上研究了一种双目场景分辨率同步算法,该算法通过实时对左右相机观察的场景的分辨率进行同步,从而避免出现因双目场景分辨率不一致导致的双目立体匹配错误问题。第五章提出一种面向VR地球的限时可视化方法,用于解决因帧率不稳定导致的VR眩晕问题,该方法主要包括两部分内容:首先,设计了一种绘制时间估算模型,该模型考虑了VR地球数据结构与绘制过程对绘制时间的影响,通过建立统计模型实现VR地球绘制时间精确估算;其次,提出了一种场景动态优化算法,该算法能够根据估算得到的绘制时间,动态地对场景的LOD结构进行调整,保证最终场景在限定时间内完成绘制,从而达到稳定绘制帧率、减缓VR眩晕的目的。第六章则对VR地球原型系统的设计与实现进行论述。该系统主要基于论文所提出的几个算法和方法,并结合osg Earth、Open VR等开发技术实现。主要包括数据加载与场景建模、双目绘制与立体显示、场景漫游与人机交互三大模块。第七章对论文研究内容进行了总结,并展望了VR地球未来的研究方向。