近年来,随着计算机图形学技术的不断发展与进步,三维地理信息系统已不再局限模拟精细的陆地环境,对本体结构较为复杂的海水环境进行三维模拟已经成为新的研究热点。目前,海水环境三维可视化主要针对海面和水体要素信息进行,海面主要采用波浪模型和虚拟现实技术实现,满足视觉需求,但实现过程较为复杂,水体要素信息三维可视化主要针对单一种水体要素信息,不能实现海水本体的三维可视化,不能同时集成和表达多种不同水体要素信息。本文针对基于GIS的海水三维可视化进行研究,包括海面和海洋水体两部分。海面方面,研究基于简化正弦函数模型的海面动态三维可视化;海洋水体方面,研究基于体元模型的海洋水体三维可视化。具体研究工作如下:(1)研究基于波面几何的海面模型,主要包括:标准正弦函数模型、Gerstner波函数模型和基于Perlin噪声的建模模型。分析每种模型的建模方法、特点和适用性。在标准正弦函数模型基础上,对其方程进行简化,利用OpenGL和LOD模型等三维可视化关键技术,实现基于简化正弦函数模型的海面动态三维可视化。实验表明,简化正弦函数模型能够满足大范围海域内的动态真实感要求。(2)研究三维空间数据模型中的规则体元模型,分析每种模型的构造特点和适用性。根据既能实现海洋水体本体的三维可视化,又能为体元模型附加水体要素信息的双重需求,基于规则体元模型进行海洋水体三维可视化建模,阐述建模思想和建模流程,引入海洋水体空间分块思想,设计基于针体模型建模方法和基于规则块体模型建模方法。(3)研究和分析海洋水深数据、海洋垂直基准、潮汐模型、常用插值方法,分析和获取海底和海面高程数据,利用Kriging插值方法获取海面DEM和海底DEM,为海洋水体三维可视化建模提供基础数据。分别进行基于针体模型建模方法和基于规则块体模型建模方法的建模实验。实验表明,针体模型和规则块体模型能够满足海洋水体三维可视化建模需求,但两者表达的侧重点不同,前者侧重表达海洋水体空间性,后者侧重于水体要素信息的表达。(4)基于OpenGL图形库和ArcGIS Engine开发平台,设计开发海水三维可视化原型系统,实现海面的动态三维可视化和海洋水体的三维可视化。