矿山地质三维数据模型是实现矿山3D GIS的基础，也是矿山3D GIS研究的重点和难点。本文在吸收国内外研究成果的基础上，针对矿山三维地质建模中存在的主要问题，以GIS和点集拓扑学基本理论为指导，对矿山地质对象的空间特征、数据来源、复杂对象拓扑关系表达、矿山地质对象数据模型构建以及建模方法进行了研究。主要内容和研究成果如下：(1)以三维空间数据模型理论为基础，系统分析了矿山三维地质环境中空间对象的组成类型、特点、空间状态的描述方法、数据来源及其数据获取手段；系统总结了矿山三维地质对象的空间特征、属性及其相互关系的表达方式。(2)针对复杂地质体由于其边界复杂，同时地质勘探手段直接获取的用于控制其边界形态特征的数据稀少，难以精细描述其边界特征这一问题，首次引入边界虚拟钻孔用于复杂地质体空间边界控制。在分析边界虚拟钻孔的适用条件基础上，以地层受断层破坏为例，分别就地层与断层4种典型空间分布组合特征下边界虚拟钻孔的确定方法进行了研究，提出了相应解决方案，这对于构建精细表达复杂地质体的三维数据模型具有一定的理论和现实意义。(3)基于面向对象方法的基本思想，在将矿山地质对象抽象为点、线、面、体4类对象的基础上，特别对于体对象进行了深入研究。根据断层、角度不整合面等对体对象的破坏，以及破坏后形成的块体内部组成结构，将复杂体对象进一步按层次分别抽象为盘体、复层体、单层体和体元，既保证了体对象在地质意义上的层次性和完整性，又利于模型表达。基于上述对象的抽象，提出了矿山空间对象矢量数据模型框架，设计出了复杂对象之间的12种拓扑关系及相应的数据结构。实验证实了该模型的有效性和合理性，对于矿山3D GIS的模型应用具有一定的理论和实用价值。(4)以3D GIS应用为目的，提出了构建独立断层数据模型的思想，并基于钻孔数据和派生数据提出了一种具有双TIN面结构的断层模型。该模型由9组几何元素构成，具有14种拓扑关系，不仅能独立表达断层面的空间特征，而且能反映断层两盘的地层组成结构，有利于基于断层面的空间分析的实现。在此基础上，探讨了在基于地质观测数据、钻孔数据、平面图数据、剖面图数据的断层建模方法和建模流程。(5)基于点集拓扑学理论，引入了拓扑体来描述矿山复杂对象间的拓扑关系。对盘体、复层体、单层体的拓扑体的构建方法和拓扑关系的表达方式进行了深入探讨。给出了矿山复杂对象间拓扑关系描述的拓扑学框架。