现实世界处于三维空间中，对空间信息的三维描述符合人们的视觉习惯，随着信息技术的发展，人们已不满足于传统GIS用二维手段来描述三维信息，开始了对三维地理信息系统(3D-GIS)的研究。3D-GIS可以为使用部门提供一种直观、形象的可视化产品，为管理人员提供直观的三维可视化管理环境，成为地理信息系统的发展方向。目前，3D-GIS的理论还不成熟，进展比较缓慢，阻碍其发展的一个重要原因是三维数据模型及其建模问题，因此如何进行3D空间建模、如何进行三维空间对象的几何表示成为3D-GIS亟待解决的问题。 本文对已有的各种空间数据模型和各种建模方法进行分析和比较，从空间数据特征和应用角度出发，总结出各种模型和建模方法的应用特点，尝试针对现有的多种空间数据特征和综合应用，寻求相适应的空间数据的表达、管理和计算处理等方面的技术，以满足空间数据的可视化、空间信息的查询和分析等方面的需求。 由于设备和技术原因，存在多种获取空间信息的手段，并且存在不同表现形式的空间数据，不同的应用对数据模型也有不同的要求，采用统一的数据模型进行各类数据建模，在理论上和实践上都存在很大的难度，本文在给出一般性原则的基础上，对三维地形、城市、矿山等重要的应用领域进行详细论述。 在地形可视化建模研究方面，本文提出了一种高清晰度三维地形景观图的制作方法。针对非实时交互应用的、小规模的三维地形景观图，实现方法简单易行，并且容易控制纹理映射，充分利用了纹理信息，比较好地再现了地表的纹理细节。在城市建筑物的三维建模研究方面，本文给出了一个完整的三维建筑物模型，该模型具有良好的可扩展性，支持空间信息查询和分析，并且具有较低的建模操作复杂度。 此外，本文对相关的空间三维查询进行了探讨。