地理信息系统(GIS)正在由二维向三维方向发展,随之产生了一系列问题亟待解决,如:三维几何目标的数据模型、三维模型数据的管理、可视化等,这些方面的问题一定程度上阻碍了三维地理信息系统的发展.本论文的研究的核心内容是探讨三维几何对象的数据模型,三维几何对象的可视化技术、以及大量三维数据模型的快速漫游技术的研究,从理论上探讨三维几何目标的数据模型以及3D GIS系统与虚拟现实系统(VR)集成,从实践上解决三维数字城市模型中三维几何目标的重建、管理及可视化,从而为城市的规划、建设、管理等服务.本论文研究的主要内容如下:本论文首先回顾了地理信息系统的发展趋势,以及三维数据模型的研究进展,针对海量三维模型数据的实时交互操作和三维快速漫游的需要,回顾了细节层次模型(LOD)的构造算法的研究进展以及其在三维可视化中的作用,其次对于3D GIS软件系统的研究进展以及目前3D GIS系统的一些主要应用场所予以了介绍,由于三维数据模型是三维GIS系统的基础,其直接关系到系统建设的成败,本论文对于3D GIS系统中数据模型的特点、3D GIS的空间分析功能予以了详细的论述,由于三维可视化是3D GIS系统中不可缺少的一部分,顾及到三维可视化技术对三维数据模型的特殊要求,以及建设一个3D GIS系统应解决的问题的基础上提出了三维数字城市模型的技术体系框架结构.在总结和分析目前三维数据模型研究进展的基础上,把数字城市模型中几何目标在几何类别上分类为:点、线、面、体四种类别.为了实现上述四类几何目标的三维构造与管理,本论文提出了面向对象的三维几何实体的数据模型(OO3D)用于表达和存储三维数字城市模型中的三维几何目标,设计了OO3D的概念模型和逻辑模型.依据OO3D设计了点、线、面、体四类几何目标的形式化描述,该数据模型实现了三维模型的几何数据、属性数据、影像数据的一体化管理,特别适合于几何目标的三维快速重建与可视化的需要.和目前较先进的SSM模型和3D FDS模型相比,该数据模型具有较小的数据存储量和较快的可视化速度,而且能够方便的和其他商用的三维模型的数据格式相互转换.地形模型也是三维数字城市模型中不可缺少的一部分,其是其他地物模型空间定位的载体,为了保证地形模型与地物模型在拓扑关系上的一致性,以地物模型的边界为约束边,使用带约束的三角网构造算法实现地形模型与地物模型的无缝集成,以上述方法为依据,设计了两者集成的主要步骤.为了实现地形模型在数据管理方面的高效性,笔者设计了相应的数据结构用于地形模型的数据管理.结合数字城市模型中空间数据的类型与特点,对数字城市中的建筑物模型数据、道路模型数据以及相关的纹理数据的管理进行了讨论,建立了数字城市模型的整体数据结构用于管理、表达、分析数字城市模型中的三维对象的几何数据和属性数据,为进一步应用系统的开发打下理论基础.