随着地理信息系统(GIS)理论和计算机图形学的飞速发展，三维GIS的建模和可视化成为当前国内外研究的一个热点。作为GIS应用的一个重要领域一城市，其三维模型的可视化和空间分析对市政建设、城市规划和管理等多方面具有重要的现实意义。城市三维地理信息系统(Three Dimensional Urban Geographic Information System，简称为3DUGIS)是指能对城市区域内空间对象进行真3D描述和分析的GIS系统。由于目前几乎所有的城市地理信息系统软件都只有二维数据的存储、管理、查询、分析、显示等能力，对很多领域要求处理的真三维信息显得无能为力。对城市三维地理信息系统的紧迫需求，导致国内外很多研究机构和大型公司都在致力于研究城市三维地理信息系统。本文以城市三维地理信息系统空间数据模型研究为核心，详细介绍了空间数据模型的基本概念、层次体系以及其原理。针对多源数据的集成问题，本章分析了多源数据无缝集成的原理，并通过一个虚拟空间数据引擎的调度实现了多源数据之间的直接访问。本文以空间数据模型为基础，并以笔者负责设计和开发的GDS空间数据库为例，给出了GDS空间数据库的空间数据模型设计，分析了GDS空间数据库的存储体系结构，详细介绍了空间数据库的压缩存储机制，最后剖析了GDS空间数据库的空间数据引擎。城市三维可视化是城市三维地理信息系统的主要功能之一，本文首先详细介绍了OpenGL的基本操作原理及城市三维建筑物景观图的生成原理，然后阐述了基于OpenGL进行房屋三维建模的技术，用Visual C++和OpenGL，根据上海某地区的实际实验数据实现了城市三维景观的可视化。另外，城市三维地理信息系统与Web技术及虚拟现实技术的结合将是未来的发展趋势。由于VRML(Virtual Reality Modeling Language，虚拟现实建模语言)可为Internet上的三维数据的转换定义一个标准的文件格式，并能有效地解决数据带宽与处理能力之间的矛盾。