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现代地理学中的地理信息学与地质学中的地质信息学研究为数字地球信息化的立体框架的理论与技术发展提供了支撑，其中对于地理和地质两类地学信息可视化的需求尤为迫切。一方面，以地理信息为数据基础的矢量地图理论与应用技术经过几十年的研究与发展，在空间数据库技术与地学信息可视化表达需求的共同推动下，承袭了传统地图学所反映的地形地貌等地理特征，并按特有的发展模式形成了当今复杂多样且有序分异的可视化地图产品。围绕地图发展的以空间分析和统计分析为主的各类地图分析方法，虽能较精确地描述地形局部特征，然而其基于局部地理范围的处理实现过于依赖“几何方法”，难以深度反映地物的自然地理特征，目前仍缺乏宏观的多维的地物特征分析方法。由此产生了矢量地图技术发展中的一系列现实问题，如地图性能瓶颈、空间分析技术瓶颈、空间数据分类的自动化问题、多源异构数据的无缝集成管理与应用问题、矢量数据地理特征研究缺乏范式支撑等。另一方面，随着矢量地图技术在地质信息领域中越来越深入地应用，用户往往希望将该技术直接延伸应用于三维地质成图与三维可视化过程，而三维地质信息因兼具多维和地质专业信息集中的双重特性，给现有地图的多维可视化方法以及地学可视化方法都带来了挑战。三维地质模型是三维地质可视化的核心，现有的大部分地质建模方法仍倚重于三维空间中的布尔运算及由空间分异发展的各种插值拟合方法等技术，这些技术发展缓慢，不同程度地制约了三维地质建模技术的发展。而目前基于GIS地图数据库发展的大量成熟方法亦无法在三维地质建模过程中发挥关键作用，三维地质建模如何有效的结合地图可视化技术也成为一个重要的研究问题。
以空间特征分析为基础的地理信息研究领域中，矢量地图以其独特的视角，以空间分析理论与方法的发展为主体，起于地图数据组织，止于地学知识可视化分析与表达，充分考虑与其它先进的学科及方法相融合，为展开“空间数据模型”、“空间关系”、“空间剖分”、“空间过程与变化建模”、“空间数据挖掘”等GIS核心概念的深入研究提供了广阔的舞台和技术手段。重要的是在上述核心概念奠定的技术框架内，蕴含着矢量地图轮廓形态特征的丰富线索，为矢量地图轮廓形态相关技术的探索提供了信息基础。同时，起源于地图可视化体系中的地学信息图谱这一多维方法能有效地传承现有地图技术中各层次的多维特征分析方法。另外，多年地质调查积累的大部分成果均以矢量图件形式存在，使得二维地图可视化技术与三维模型可视化技术两者具有了共同的数据基础，两者的关键区别在于可视化技术中体现出的维度跃迁的特征。因而需要发展多维的工具链接或兼容可视化方法应用中的维度差异。此外，从二维可视过渡到三维可视，最直接的视觉变异感知突出表现在地图显示内容的轮廓形态等方面。
本文在地学信息图谱进展方向和地图可视化理论发展趋势的双重指引下，以矢量地图轮廓形态特征为切入点，对现有相关技术中蕴含的轮廓形态线索进行归纳，从技术融合的角度提出了矢量地图轮廓形态谱(Digital Line Graphics Contour Morphology Spectrum,DLGCMS)的概念，它是矢量地图轮廓形态在不同地理区域不同尺度等级下的有序组合（“图”）及所挖掘的轮廓形态特征信息及其所蕴含的空间结构与语义形态规律（“谱”）的统称。它本质上是在继承的基础上扩展的新方法，是对地学信息图谱和地图可视化理论的延伸。本文在明确了矢量地图轮廓形态谱框架的基础上，着重研究了关于矢量地图(Digital Line Graphics，DLG)中道路的轮廓形态谱提取与分析方法，然后以DLGCMS方法为指导，开展了关于地质建模的谱方法应用研究。
论文包含理论和实践研究两个层面的内容，具体工作从如下方面展开:
(1)系统分析了国内外地学信息图谱理论方法相关的研究成果，总结了地学信息图谱“进阶式”的发展主线，归纳出地学信息可视化研究中地图可视化技术的发展与地理数据信息中机理性规律的发掘有关，并分析指出地图可视化与地学知识可视化在知识可视化程度上存在鸿沟，明确了不断发展与完善的地学信息图谱理论方法在填补这一鸿沟上发挥的作用与不足，不足具体表现在现有的图谱方法在地学知识化的具体形式方面明显欠缺以及特定类型的图谱需要向知识图谱更进一步等方面。同时，对轮廓技术在轮廓表示与提取、轮廓匹配与查询及轮廓线构面等方面的独立发展进行了现状分析，从视觉轮廓感知的角度，指出矢量地图中蕴含着固有的轮廓形态特征。简要分析了三维地质可视化技术的核心---三维地质建模与GIS两种技术结合的发展现状，从具有相似的数据基础出发，在理论上分析出两类技术在数据基础中反映出的维度跃迁特征，然后指出不仅仅可以使用三维空间相关方法处理和解决地质建模问题，而且可以采用支持多维分析与处理的地学信息图谱方法，与现有相对成熟的矢量地图可视化技术结合来解决地质建模问题。最后整理出发展新图谱的主要研究内容及思路，提出以矢量地图轮廓形态特征为研究对象，建立矢量地图轮廓形态谱。以期采用新的地图谱方法为地图模型化应用中诸多关键问题的解决及三维地质建模方法研究与实践奠定理论基础，提供方法指导，并从理论上分析该方法面临的挑战与机遇。
(2)主要从概念和方法论两个角度探索研究矢量地图轮廓形态谱框架。首先在矢量地图可视化应用所蕴含的技术框架下，归纳出矢量地图轮廓形态表现了概化、层次化、渐进式等特点，并以矢量地图轮廓形态特征为研究对象，具体从狭义和广义角度归纳了矢量地图轮廓形态谱的概念，参照关系数据库理论创建的方法定义了谱相关概念，建立了谱代数理论雏形。结合DLG数据，从语义分层、结构形态特征的角度对矢量地图轮廓形态谱的类型与层系进行了划分，确定了谱理论的研究内容及范围主要侧重在谱量化指标体系及基于指标体系的谱方法等方面。然后以矢量地图轮廓形态谱的价值标准为导向，明确了谱方法体系的系统结构与支撑技术体系，归纳出量化谱方法具有结构转向的趋势，以空间结构与语义形态途径为两极建立了多元复合的谱方法体系。并结合地图可视化应用分析归纳出空间结构范式与语义轮廓范式两种DLGCMS范式，以范式中共同的信息、模型与方法为基础，整理出谱包含范式、特征及属性三类要素。最后阐述了兼顾信度与效度原则的基于语义轮廓和结构形态轮廓的谱方法选择。
(3)遵循谱框架方法的思路对道路轮廓形态谱量化指标选取的相关内容进行了说明，具体给出指标选取时需遵循的三类原则，结合道路网络图简单标示与解析了轮廓形态特征。由矢量地图轮廓形态谱的原理，结合路网系统化的特征，以关于路网特征的现有研究成果为基础，从不同层次归纳整理了各量化指标的定义及表达式，并提出了新的稳定性指标，形成了包含路网元素层、路网层、网际层的一系列量化指标，以此为基础构建了谱指标知识库。通过分析建立了顾及元素关联关系的复合网络模型，以层次化方法实现了多层耦合建模，分析指出了语义形态谱在其中发挥的特殊作用。简述了道路等级谱与道路骨架谱的提取及谱转换过程。依靠模拟退火、遗传算法、禁忌搜索三种算法协同，给出了一种混合TSP算法，作为道路网谱的基础分析方法。应用谱的熵原理提出了基于轮廓的谱传递匹配分析方法。然后简述了路网通达性分析与路网结构评价方法，在路网演化实证分析的基础上提出了基于规则库的路网演化方法，并将基于轮廓的谱传递匹配分析方法应用于分析道路网的稳定性上，最后针对路网轮廓形态图谱从城市道路形态的整体和局部两个层次进行了简要分析。
(4)在三维地质建模场景下，以矢量地图轮廓形态谱方法为指导，从定性与定量两个方面展开地质建模方法研究，内容主要包括区域地质建模流程设计、二三维一体化模型设计、分层地质体自动建模算法研究三个方面。首先分析了各类建模数据源的特征，将它们视为地质结构模型的约束数据，以可靠度指标为度量依据将它们谱系化，便于在建模过程中协调使用。然后深入分析现有地质建模流程与方法，指出以城市地质建模为主的建模流程与方法无法有效解决区域地质建模的问题，结合区域地质建模数据源的特点与该项任务本身的特殊性，提出了符合轮廓感知原理的渐进式区域地质建模流程，又在该流程下设计了实际材料图推测建模子流程，用于其中地层粗框架的建模。并在现有地理数据库对象模型体系中进行扩展，设计出适于存储三维地质模型数据信息的三维简单要素模型，并给出相应的模型接口规范，为建模相关数据的二三维一体化管理提供数据模型支撑。最后对地表约束下的近似分层地质体自动建模算法进行了阐述，首先分析了该建模场景中具有的不同于地形特征线提取、图像轮廓追踪的特殊性，定义了点立方体拓扑结构，并以地层缺失圈追踪和地层厚度插值为算法的根基，重点阐述了地质体自动建模算法相关内容，具体包括边界轮廓线提取算法、基于Cook-Seiford函数的标准层序群决策原理、缺失圈追踪算法、基于点-线平面剖分方法的曲面分片光滑插值算法的近似分层地质体自动构面算法流程，及基于多地层面的自动构体算法，并从实现原理上对其中若干关键算法进行了简要分析。
(5)基于MapGIS K10平台以搭建方式研发第四系地质建模软件原型系统，探讨基于矢量地图轮廓形态谱的地质建模流程与方法的有效性问题，以二三维一体化模型中的二维、三维简单要素类为基础实现地质建模约束数据的统一组织与管理，实现了基于建模约束数据可靠度规则的二三维联动编辑，以钻孔和平面地质分区图为建模约束数据，编码实现基于地层缺失圈追踪和地层厚度插值的地质体自动构建算法。验证了基于地图轮廓形态谱的地质建模方法的可行性和有效性。
(6)论文最后对全文进行了总结。研究结果显示，矢量地图轮廓形态谱在描述宏观多维的地物特征上表现出较大的潜力与优势。矢量地图轮廓形态谱理论与方法体系，是地学信息图谱理论与方法的延伸和发展，进一步完善和丰富了矢量地图分析方法，规范了地图可视化相关的概念体系，更为三维地质建模等多维的应用拓展了新的方法，反过来也为矢量地图轮廓形态谱中的模型方法及地图分析方法的应用研究拓宽了思路。提出了一些值得进一步深入探讨的问题，包括矢量地图轮廓形态谱的完备性研究、局部最优谱理论、多阶谱估计与影响因子分析、地质业务数据模型完善与建模技术融合等。