随着信息获取、处理和传输等技术的不断发展，我们可离线重构地球上城市和海洋等复杂环境的三维数字模型，并将各种实时获取的动态信息接入该虚拟环境，形成与现实物理世界相对应的高保真动态三维空间信息环境，从而为各种复杂事件和问题的决策在计算机信息空间上提供分析仿真环境，提高人类对自身所处环境的感知、分析与管理能力。这就对大范围、多源、多维、海量的复杂三维空间数据实时可视化提出了很高的要求。随着现代图形硬件(GPU)的可编程性加强和计算能力提高，本文主要针对大规模三维空间信息数据的特点，研究如何基于GPU对地球范围内多源三维空间数据进行优化处理和实时可视化。主要研究内容和学术贡献包括:　　(1)地球表面基础层实时绘制技术。基础层包括数字高程、遥感影像构成的球形地形以及叠加融合显示的几何、纹理及矢量信息。在地形绘制方面，基于GPU的Geometry Clipmapping技术在球面上进行定制设计，高效自适应地输出并显示密集的球形地形网格;在矢量信息叠加绘制方面，提出了一个基于纹理的多级联绘制叠加算法，根据视点位置和视线方向提供深度剖分和屏幕空间分块两种策略，有效提高像素利用率并抑制走样;在水体几何叠加绘制方面，提出了GPU友好的面向不同海况的高真实感海水表面绘制方法，并完成多级海况一键切换，保证不同海区无缝过渡以及在海陆交界浅滩处的正确绘制效果。　　(2)地球自然生态环境实时高质量绘制技术。地球自然环境包括陆上植被系统和海洋生态系统，复杂性高，规模巨大，难以预建模和有效绘制，需结合GPU进行几何表达和层次细节控制呈现。基于实例化、GPU feedback buffer及GPU视域剔除等方法，我们建立了一套完全由GPU驱动的树木及草地LOD切换机制，实现了高质量的陆上植被环境的实时绘制。面向复杂的水下海洋生态系统，我们提出了一个GPU与CPU混合的算法框架，CPU负责轻量级的由语法生成基础几何，GPU负责细节几何的密集生成和LOD的无缝切换，系统地从海洋生物的分布、单个生物的造型和生物之间的互动三个层面来构建复杂的局部生态环境，并实现实时绘制。　　(3)复杂城市三维建筑模型实时绘制技术。建筑物是地球最主要的人造设施，城市是建筑物聚集的典型场所。海量的不规则三角网格和纹理对城市建筑模型数据的调度和绘制效率提出了严峻的挑战。我们提出了一整套基于GPU的面向海量城市模型的优化处理及实时绘制方法，包括LOD生成、纹理压缩、局部几何优化、面片绘制顺序重排、基于外存的的多线程调度与绘制模式等，有效降低了海量三维模型的I/O压力，优化了绘制效率。针对城市独特的复杂管线数据，从其结构特征出发，提出并实现了基于GPU的实时建模和绘制算法。　　(4)研发了基于地球构架的三维空间信息系统基础平台及应用软件。针对地球构架下数据量大、地表弯曲性、精度控制难等特性，我们提出了从数据调度、数据处理到可视化绘制的整体流程框架，研发了虚拟地球数据管理与可视化原型平台，形成了数据层、平台层、支撑层与应用层四层构架，并提供了“平台+支撑+插件”的开放式模型和二次开发环境。平台支持地球规模的复杂地形、三维模型及典型大气海洋水体环境的实时真实感仿真，实现了基于Web多媒体技术的灵活界面设计。基于该平台研制完成了一些典型应用软件，并在国内若干重要单位得到了成功应用。