为了有效控制环境变化造成的损失,避免人类生存环境的进一步恶化,必须以已获取的海量自然与人类活动资料为基础,利用地球系统模式反演过去资源与环境演变机理、预测未来全球变化情景。然而在底层数据结构及编码模型上的差异,使得测绘地理信息领域内的全球离散格网系统无法完善表达地理空间的相互作用,因而难以直接支撑地球系统模式的计算。因此,如何以统一的空间数据框架有效地组织与管理这些不同分辨率、类型多样的海量空间数据,并与覆盖全球的地球系统模式相耦合,是当前地理学及地球科学相关学科的重大任务。本文立足于现有全球离散格网系统的几何基础框架,在继承其全球覆盖、近似均匀、层次嵌套等优点的基础上,扩展其格网编码表达结构,将其从单一的格元表达扩展至格点、格边与格元的统一表达,以此作为综合表达不同类别的地理现象、对象、演化过程的基础格网系统,实现对空间数据的多层次表达与地球系统科学模式计算的有效支持。本文的研究内容与结论主要包括:(1)格网几何性质对比分析:分别从格点、格边、格元这三类格网组成要素的角度出发,将依本文方法与其它两种剖分方法构建的球面三角形格网进行几何性质对比分析。结果表明,本文基于正二十面体与大圆弧平分法构建的球面三角形格网在不同剖分层级均具有稳定、近似均匀的几何特性,能够有效支持全球范围的空间数据建模与与数值模式计算。(2)格网要素统一编码模型设计:将空间填充曲线引入现有的正二十面体球面三角形格网上,遵循隶属关系延后原则,实现各类格网组成要素与格网编码的一一对应,进而构建格点、格边、格元显式表达的格网要素统一编码模型,借此弥合面向多尺度空间数据表达的全球离散格网系统与地球系统模式中的底层数结构差异,并在此基础上设计格点、格边、格元要素编码与地理坐标之间的快速转换方法,实现包含空间邻近关系和层次关系在内的球面空间关系搜索方法。(3)格网系统与空间数据集成:针对应用广泛的矢量数据、场数据表达范式的差异,通过格网要素编码坐标的相互转换方法进行现有地理空间数据到格网组织形式的转换,并以成熟的计算机图形学算法为借鉴实现离散对象、连续场数据在球面格网空间上的快速可视化,从而达到兼顾多分辨率空间数据表达与地球系统模式计算的研究目标。(4)海洋数值模式的计算格网生成:以要素统一编码结构为球面三角形离散格网系统与全球海洋数值模式的耦合切入点,通过拓扑关系判断和面积权重比较的方式完成全球大洋区域格网的初步生成,并利用全球离散格网系统的层次嵌套特性实现海岸边界区域的加密,根据海洋数值模式对于边界平滑度的要求进行格网边界处理,在此最终确定的格网几何骨架上实现格点属性值的最终获取和优化调整,以全球离散格网系统直接支持海洋数值模式的顺利运行。研究结果表明,融合要素统一编码模型的正二十面体球面三角形格网系统,可以在顾及地理空间相互作用的前提下满足空间数据表达和地球系统模式计算的双重需求,克服了目前面向数据表达的全球离散格网系统和数值计算格网各自的局限性,构成了同时具有数据组织、空间分析、模式模拟和结果展现能力的完整的地球系统模式运行环境,能够为地球系统机理过程的反演与预测提供有力的支撑。