三维地理空间数据分析是GIS空间分析的一个重要组成部分，是当前GIS技术与应用的热点研究领域，也是数字地球和数字城市建设的重要技术基础。三维地理空间数据涉及三维景观建模、三维景观分析与计算等内容，结合三维可视化技术，可以实现真实地理环境的完全再现。
三维GIS数据模型可分为基于体模型、面模型和混合模型三大类。体模型数据结构侧重于三维空间体的表达，适于空间操作和分析，但存储空间较大，计算速度较慢；面模型数据结构侧重三维空间表面的表达，通过表面描述实现三维空间目标表示，便于显示和数据更新，不足之处是空间分析难以进行；混合模型数据结构是将两种或两种以上的数据模型加以综合，形成一种具有一体化结构的数据模型。
对三维数据进行可视化表达包括三维场景的显示、多角度观察、放大、漫游、旋转、任意选定路线的飞行及可见点的判别等方面。另外，也可以对三维数据模型通过叠加影像数据进行纹理贴合以增加模型的逼真性。创建三维可视化场景的工具主要是Open GL或VRML。
经过建模处理以后的各类地物，要想真实地显示在计算机屏幕上，还需要经过一系列必要的变换，包括数学建模、三维变换、选择光照模型、纹理映射等。地形飞行漫游是指以多种飞行高度、飞行速度、视角或固定飞行路线对地形进行观察，其效果如同用户坐在飞机上对地区进行实地观察。
对2．5D的地形表面空间分析主要包括：①空间查询：三维坐标、高程；②地形因子分析：距离、面积、体积、表面曲率、坡度坡向等；③等值线分析：在Grid或TIN数据中绘制等值线（或等高线）；④日照阴影分析：光源从某个特定角度照射表面时，表面所产生的明暗效果有助于增加三维表面的深度视觉效果，对分析某位置的太阳辐射特别有用；⑤专题栅格图分析：坡度、坡向的栅格图分析、栅格数据重分类图；⑥剖切分析：在DEM格网上进行剖面图绘制，用于分析区域的地貌形态、轮廓形状、地势变化、地质构造和地表切割强度等；⑦通视分析：以某一点为观察点，研究某一区域通视情况；⑧流域分析：流域是将水和其他物质排向共同出口的区域，又称为盆地或集水地，高程格网和栅格数据运算用于流域分析，能够获取流域和河网等在水文过程中非常重要的地形要素。
基于地形的坡度和坡向等地形因子的计算分析主要公式如下：
设地形曲面为：z＝f（x，y）
坡度（Slope）＝arctg
坡向（Aspect）＝180－arctg
剖面曲率（ Profile Curturve）＝
平面曲率（Contour Curturve）＝
切曲率（Tangential Curturve）＝
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