海洋是人类未来生存和社会发展所不可缺少的物质和能量源泉,也是影响全球气候变化、生态平衡的重要因素。随着科学和技术的发展,人类开发利用海洋资源已经达到了立体化水平,对海洋的依赖程度越来越高,同时海洋对人类活动的影响也日益增大。海洋环境复杂多变,动态交换频繁,研究海洋环境的各类特征、规律是进一步合理开发海洋资源、保护海洋生态环境的关键。随着我国海洋资源开发与利用的深入,海洋环境监测已经成为海洋环境保护领域的重要研究课题。长期以来海洋环境监测与调查积累了大量的多源、多维、动态、异构的海洋环境数据,利用海洋GIS技术对海洋环境数据进行管理、通过可视化方法进行海洋现象规律的探析已经成为近几年的研究趋势。本文分析了海洋GIS近期的研究成果,以海洋环境数据为研究对象,设计面向服务的海洋环境时空数据模型。结合GIS服务技术,自主开发出虚拟海洋环境可视化服务系统。从数据模型、可视化表达和共享与互操作等方面为海洋GIS研究与发展注入新的元素。本文研究内容主要包括五个方面：(1)探讨了海洋环境时空数据建模与可视化服务技术与方法,包括：GIS数据共享与互操作技术、GIS服务框架体系、虚拟现实建模语言和海洋环境时空可视化方法等。海洋GIS与GIS服务相结合需要解决以下问题：对海洋环境时空数据进行面向服务的一体化组织；建立合理、高效的海洋环境场景与环境参数可视化模型；建立一种面向服务的三维可视化框架体系。(2)在分析海洋环境时空数据特点和现有数据模型的基础上,提出了基于场和特征的海洋环境时空数据概念模型,实现了特征域、场域、时间域、空间域和语义专题域的一体化描述与表达,并分析了海洋时空变化的特点及其状态表达。采用地理标记语言GML设计并实现了面向服务的海洋环境时空数据的组织与存储。(3)研究了虚拟海洋环境可视化建模方法,给出了海空动态模拟、基于Gerstner-Rankine模型的海浪仿真、基于轮廓线的海洋水体构建以及海底地形可视化优化方法,实现了海洋空面体一体化的表达。针对海-气CO2通量、海表风场、海洋温度场等典型海洋环境要素给出了建模方法,通过可视化和动态模拟实现了海洋现象直观表达。(4)针对海洋环境可视化的现状和存在问题,提出了面向服务的虚拟海洋环境可视化以及多层次的可视化服务集成新模式,搭建了面向服务的海洋环境时空数据可视化与共享框架,实现了海洋环境三维GIS服务动态创建、调用与组织,并对海洋环境GIS服务资源分类、描述以及元数据管理等进行了讨论与实现。(5)基于本文提出的理论、技术和方法建立了系统原型,实现了海空、海面(海浪)、海洋水体、海底地形和多环境要素一体化的海洋环境综合可视化服务,提供了海洋环境时空数据的访问、集成、显示、查询、分析等功能。研究表明,本论文设计的海洋环境时空数据模型能较好地表达海洋多源、多维、动态时空数据,并能适应面向服务体系架构的需要；自主开发的虚拟海洋环境可视化服务系统原型,能够实现海洋环境数据的广域共享与可视化。