近年来，随着计算机科学技术和地理信息产业的迅猛发展，水污染扩散三维可视化仿真技术已成为数字流域建设的一个重要方面。如何利用三维可视化技术表达流域中的各类信息，并将其与水环境相关的数学模型结合，进而分析流域中水污染扩散过程的变化规律是该领域亟需解决的问题。本文以三峡库区流域为主要研究对象，围绕大规模流域三维可视化虚拟场景的构建、流域水系河网的提取分析、河道内水体的三维可视化仿真以及水污染扩散实时动态模拟等技术进行了深入研究，在此基础上构建了一个基于球体的三峡库区流域污染防治三维可视化仿真系统，为大规模流域的污染扩散防治提供借鉴。　　 DEM是流域分析的数据基础。本文使用大比例尺等高线图生成网格DEM数据。提出一种考虑等高线图地貌特征的DEM插值方法，通过增加控制点的方式，控制插值的精度。该技术利用了等值线中隐含的地貌信息，通过能够反映地貌特征的8方向取点法，首先选择距离待插值点最近的等值线点作为基准，然后沿着8方向依次求得每个方向上的两个交点作为插值的样点，这样就可以获得反映地貌基本形态的点作为插值的基本样点。针对山坡山谷等特殊地貌以及等值线图边界部分地貌信息缺失的情况，采用增加虚拟控制点的方式控制插值精度。　　 以高精度DEM数据为基础提取河流子流域。提出了一种定量判断拐点的方法——均值变点分析法确定子流域划分阈值。通过计算整个样本数据的方差(S)与分段样本的统计量(Si)之差来确定变点，变点的存在会使S和Si的差距增大。借助Arc HydroTools扩展模块，研究基于地表径流漫流模型的数字河网提取方法，采用均值变点分析法确定提取河网的阈值，并对结果进行分析。经对比发现，提取的主干河网与1∶25万地形图主干上吻合较好，次流上更具真实性，提取结果可以用于各种流域分析。　　 采用一种视点相关的全球地形LOD模型SROAM建立基于球体的三维场景承载平台。该算法采用正方体作为网格细分的顶层，正方体上每一个面分裂成两个三角形作为ROAM算法二叉树的根节点，给出了高程数据球面映射及动态误差计算的方法，实现了地形场景的平滑绘制。　　 在兼顾真实感和效率的前提下，本文采用中心差分方法建立了理想水体的运动方程，进而提出一种模拟水面三维运动效果的方法。该方法首先将水体网格化，使用布朗分形运动的形态构建整个水面。接着利用简化的流体力学方程作为水体运动的驱动因子控制各个网格处的水体高度，再通过中心差分法平滑水柱之间的高度差，从而得到连续波动的水波模型。最后，从纹理映射与LOD层次模型构建两个方面讨论了大规模运动水面的仿真方法。实验表明，该方法不仅计算效率能够满足大规模三维水面动态仿真的要求，同时还具有很好的可视化效果。　　 提出了一种基于河流速度场的河道自适应流动水体的可视化方法。该方法应用流体力学原理，实时计算稳定水流的速度，构建河流的速度场，然后运用速度场驱动并约束满足泊松碟分布的精灵纹理在河道内移动，通过对精灵纹理进行混合与渲染，使重构的水面沿着河道真实自然地流动。水面渲染采用GLSL(OpenGL ShadingLanguage)着色器进行渲染，着色器运用GPU可编程渲染管线实现，让GPU进行图形的计算，减少了CPU的实时运算量，提高程序的整体效率。以河流速度场为驱动，通过采用泊松碟分布的边界快速采样法进行采样，获取精灵纹理的位置，载有水面图像的精灵纹理在速度场的驱动下进行移动，通过河道边界对精灵纹理移动的范围进行限制，形成动态水流在河道内流动的仿真效果，为水动力场模拟和污染扩散模拟提供了技术基础。　　 鉴于常规基于元胞自动机的污染扩散方法不能很好的反映污染物随水流扩散的效果，本文提出了一种适应水流运动的点源水污染扩散元胞自动机模型，该模型将扩散过程看成由两部分组成，一部分是静水状态下的点源污染扩散，另一部分是各元胞中污染物随水流运动的运移变化。本文首先根据污染物的扩散特性，将紊流扩散系数引入常规元胞扩散算法之中，建立了符合微观扩散机理的元胞扩散模型，在此基础上进一步针对常规元胞扩散算法在流动水域模拟的不足，不能真实地反映污染物在水流中的扩散规律，提出一种流场驱动的“粒子追踪法”来求得各个元胞的污染物浓度值在流场中随时间的变化，由此将流场和元胞方法耦合起来。最后，利用该模型对丰都县兴义大桥南桥头排污口的COD污染扩散进行了模拟，取得了良好的仿真效果。　　 针对三峡库区流域水环境综合管理和项目成果集成的需求，本文还介绍了基于大规模虚拟流域场景的水污染扩散三维可视化系统的设计和实现，并给出了它的设计架构、功能描述、组成结构、数据库设计、系统关键技术以及运行实例。