随着摄影测量、激光雷达和卫星遥感技术的进步，实时获取的海量高精度数据使计算机的处理能力面临巨大挑战。以空间海量数据为基础的三维地表模拟涉及三个核心问题:第一是如何从获取的海量数据快速构建高精度的数字地面模型，以提供实时精准的地理信息;第二是如何对构建的大规模高精度数字地面模型实时高效可视化，以直观生动的呈现给用户;第三是如何在三维模拟的基础上应用地理信息和空间分析方法构建专题地理信息系统，进而为空间决策提供有效支持。本文围绕这三个问题从四个方面展开研究，研究高精度曲面模型的高性能解法及利用现代显示硬件(Graphic Processing Unit，GPU)快速构建高精度曲面模型的算法，研究海量DEM的高效实时可视化方法，研究曲面模型快速构建和高效可视化之间的集成方法，研究解决应用以上方法及相关空间分析技术建立项目区应用模拟系统的问题。　　 基于微分几何曲面理论的高精度曲面模拟方法(High Accuracy Surface Modelling,HASM)解决了长期困扰地理信息系统界的模拟误差问题。虽然该方法理论研究已趋于成熟，但由于使用该方法需求解大规模线性方程组，速度问题制约了HASM在实时动态模拟以及大尺度、高分辨率DEM构建的应用。针对此问题，本文研究了以下内容:1、在对HASM系数矩阵结构分析的基础上，设计了高效的内存节约型数据结构，发展了多种基于CPU的HASM解算方法;2、设计并实现了基于GPU并行计算的高精度曲面模型方法;3、分别通过高斯合成曲面和实际项目区DEM模拟对所发展的方法进行了充分验证，并进行了性能比较分析。HASM解算方法主要包括:高斯赛德尔方法(HASM-GS)、改进的高斯赛德尔方法(HASM-MGS)、二维双连续投影方法(HASM-DSPM)、共轭梯度方法(HASM-CG)、预处理共轭梯度方法(HASM-PCG)、多重网格法(HASM-MG)、基于GPU的HASM-CG和HASM-PCG。数值分析和统计结果表明:在模拟理想状态下的高斯合成曲面时，HASM-MGS方法比HASM-GS收敛速度有所提高，迭代次数有一定下降，但由于HASM-MGS进行了预处理，相同迭代次数其时间耗费明显增加;HASM-DSPM方法与HASM-GS和HASM-MGS相比，收敛速度和执行时间都有明显改善;相对于HASM-CG和HASM-PCG，HASM-MGS和HASM-DPSM收敛速度明显较慢，达到相同的误差时模拟所需时间明显增加;与HASM-MGS和HASM-DSPM相比，HASM-MG需要较少的迭代次数即可收敛达到较高的误差精度;基于GPU的HASM-CG和HASM-PCG相比原方法效率可以提高12倍以上，最高可达16倍。鄱阳湖流域和董志塬项目区的DEM也充分验证了这些结论。　　 针对以上方法构建的大规模高精度地形模型，本文开展了高效可视化方法的研究。研究从五个方面展开:1、适合HASM的限定四叉树的数据结构;2、以块为单位的四叉树底层结点结构;3、渐进式的内外存调度，帧间连贯性，可见性剔除策略;4、三维场景下的矢量数据实时高效叠加绘制;5、对渲染后的地形表面的纹理真实感模拟问题进行研究增强地形模拟的真实感。前三点保证了充分利用GPU提高可视化效率，后两点保证场景中矢量的高效叠加和地形面的真实感。董志塬项目区的三维可视化表明，可视化算法具有较高的效率，最高帧速可达到50帧。而董志塬项目区的基础地理信息矢量数据叠加测试表明，当数据加载至可满足视觉效果的最大值时，叠加方法仍能达到交互式的帧速。　　 将高精度曲面建模方法与实时高效可视化方法相结合，研究了两种地形模型实时建模与可视化并发执行的地表可视化漫游方法。实现了动态曲面构建与实时高效可视化算法的有机结合，使得曲面构建可以与可视化同时进行，克服了以往两者只能分开执行的缺点。项目区的实例验证表明，在快速计算的同时，可视化仍然可达到接近交互式帧速，对于小规模的数据量，可完全达到交互式的帧速。　　 基于以上方法并辅之以必要的空间分析，建立了董志塬地区三维地表模拟应用系统。此系统实现了二维和三维可视化功能的结合，以及二三维一体化分析及显示。二维和三维的结合大大加强了各种空间分析的直观度和精度，并在生态评估治理中发挥了重要作用，提高了项目区生态系统恢复和治理决策制定的科学水平。