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GIS处理的是在地球三维空间上连续分布的空间数据，然而， 目前绝大多数的GIS采用二维或2.5维来表示现实三维现象， 通常将三维分量Z值当做一个属性值，如DEM数据， 这对于许多地学分析是非常不便的，甚至难以进行。 例如，地质构造研究中的断层处.在一固定位置会有 不同的高程值，因而不能用二维或2.5维表示， 而真三维数据结构能真正表示这种地质结构。 近年来，计算机技术特别是计算机图形学的发展， 使得显示和描述三维实体的几何持征和属性特征成为可能， 因此真三维数据结构的研究，真三维GIS的应用成为GIS发展的一个热点。 主要研究方向包括：
（1）三维数据结构的研究，包括数据的有效存储、 数据状态的表示和数据的可视化；
（2）三维数据的生成和管理；
（3）地理数据的三维显示，包括三维数据的空间操作和分析， 表面处理，栅格图像、全息图像显示、层次处理等。
地理信息除具有空间特性外，还具有明显的时序特征， 即动态变化特征。在许多应用领域中，如环境监测、 地震救援、天气预报等。空间对象是随时间变化的， 描述和研究空间付象的时序持征在问题求解过程中起着 十分重要的作用。由于受器件的限制和一些技术原因， 传统的地理信B系统只考虑地物的空间特性，忽略了其时间特性。 近几年提出的空间--实时数据模型也仅能处理空间二维和时间一维， 不能完全表示和分析不断变化的三维世界，因而需要开发时空四维GIS。 实现时空复合操作，将空间分析问题进一步拓展为时空分祈范畴， 已成为新一代GIS的重要研究课题，时空GIS主要研究时空模型， 时空数据的表示、存储、操作、杏询和时空分析。 日前较常用的做法是在现有数据模型基础上扩充， 如在关系模型的元组中加入时间，在对象模型中引入时间属性。 在这种扩充的基础上如何解决从表示到分析的一系列问题仍有 待进一步的研究。另外，人们也在研究一种存储和表示四维 目标的四维数据模型，Cheng Tao等运用面向对象技术开发出 一种面向对象空间-实时模型用于处理四维GIS数据。