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GIS软件技术经过30多年的发展，取得了巨大发展，但是随着GIS应用和集成程度的深入、Internet和高性能个人计算设备的普及，GIS软件技术也面临着诸多新的问题和挑战，主要表现为：GIS封闭式的体系结构与IT主流信息系统体系结构脱节，GIS与其他IT应用功能集成、数据集成困难；基于地图(二维数据)的数据组织和表现方式不适应空间信息应用发展的需求；表现方式单一，三维表现能力不足。现有GIS基础平台软件的设计思想、体系结构和数据组织已经不适应GIS应用发展的要求，尤其不能适应“数字地球”、“数字城市”、“数字区域”建设中对海量多源异构数据组织和管理、数据集成、互操作、应用集成、可视化和三维可视化的需求。
Virtual Globe是目前“数字地球”最主要的软件实现技术，Vtrtual Globe通过三维可视化引擎，在用户桌面显示一个数字地球的可视化平台，用户可以通过鼠标、键盘操作在三维空间尺度对整个地球进行漫游、缩放等操作。随着Google Earth的普及，Virtual Globe已成为空间数据发布、可视化、表达、集成的一个重要途径和手段。
Virtual Globe技术在空间数据表达、海量空间数据组织、应用集成等方面对GIS软件技术具有重要的参考价值：从空间数据表达和可视化角度，基于Virtual Globe的空间信息可视化方式是GIS软件二维电子地图表达方式的最好替代者，其空间表达方式可以作为基于地图表达方式的数字化天然替代，对于GIS基础平台研究具有重要借鉴意义；从空间数据组织角度，Virtual Globe技术打破了以图层为基础的空间数据组织方式，为解决全球尺度海量数据的分布式存取提供了新的思路；从应用集成和空间数据互操作角度，基于VirtualGlobe的组件化GIS平台可以提供更好的与其他IT系统与应用的集成方式。
论文在现有理论和技术基础上，借鉴和引入Virtual Globe相关技术，针对全球尺度的异构、多源海量空间信息，对网络三维GIS软件技术的理论框架、体系结构、关键算法、实现技术等问题进行了深入研究。论文主要研究工作如下：
(1)系统总结了空间信息的特点，提出了“空间信息应用相关性”的问题，在GIS中表现为，GIS应用系统中的空间信息往往是来自多个数据源的不同数据集，这些数据集之间具有很强的相关性,这种相关性与应用的目的、内容和性质有关。“空间信息应用相关性”的本质是由空间自相关所造成的，是空间信息的本质特征。在此基础上分析了空间信息对GIS软件技术的制约，指出了空间信息特殊性造成的空间信息系统的2个紧耦合性：即GIS应用与空间数据的紧耦合性与GIS软件技术在纵向上的紧耦合性。根据GIS软件技术的应用领域和应用模式，提出了新的面向应用的GIS软件技术分类方案，将GIS软件技术划分为5类：传统GIS软件技术，传统WebGIS技术，基于Aiax和切片技术的WebGIS软件技术，面向Virtual Globe的网络三维GIS软件技术，真三维GIS软件技术。在此基础上，提出了面向Virtual Globe的网络三维GIS软件技术的定义，讨论了其应用领域与应用模式。面向Virtual Globe的网络三维GIS软件技术是传统GIS软件技术的重要补充和扩展，是GIS软件技术的重要组成部分，具有广泛的应用领域和市场前景。通过将Virtual Globe技术引入GIS软件技术研究，对解决GIS软件技术的空间数据表达、海量空间数据组织、应用集成等问题具有重要的参考价值。
(2)基于计算机软件体系结构和GIS现有理论和技术，研究了面向Virtual Globe的网络三维GIS平台理论框架、体系结构、系统组成、关键技术。从总体上将面向Virtual Globe的网络三维GIS划分为服务器、客户端和互操作适配器(Adapter)3个组成部分，共同组成一个多层次的分布式体系结构。面向Virtual Globe的网络三维GIS的关键实现技术包括海量空间数据的高效空间索引技术和面向地球椭球体的网络海量三维空间数据可视化技术。基于现有Virtual Globe技术和网络地图的数据组织思想和方法，提出了数据服务的概念；以数据服务为单位的空间数据组织方式，对解决多源、多尺度空间数据集成，GIS应用与空间数据解耦具有重要价值。与传统GIS相比，面向Virtual Globe的网络三维GIS技术通过数据服务、基于Virtual Globe技术的空间可视化方法以及组件技术，解决了传统GIS中GIS应用系统与空间数据的紧耦合性、GIS软件技术纵向上的紧耦合性、空间数据的三维表达等问题。
(3)在椭球四叉树基础上，基于哈希格网提出了基于哈希格网的改进椭球四又树空间索引(Hash Table based Ellipsoidal Quadtrees，HEQT)。基于哈希格网的改进椭球四叉树(HEQT)空间索引修订了椭球四叉树索引方法中切片的剖分方法，采用了等边长(度为单位)的切片剖分方式，使切片的索引可以通过简单的hash函数计算得到，改善了椭球四叉树的建立、索引效率，极大提高了空间数据的访问速度和可视化效率。与传统类似索引技术相比，HEQT具有以下特点和优势：首先，HEQT由根切片的边长(S0)惟一确定，对于确定的根切片边长(S0)的HEQT，其索引是惟一确定的，与要建立HEQT的空间数据的范围、位置无关；其次，索引计算基于hash函数，复杂度为常数时间，与数据量无关；第三，通过HEQT，由四叉树节点切片和数据网格索引的关系，可以迅速从HEQT索引建立需要的四叉树，并快速遍历和返回数据；第四，对于具有不同S0的HEQT，其索引关系也可以通过函数运算迅速确定，这一性质极大方便了不同来源、不同尺度的空间数据的索引和处理。
(4)系统研究了面向Virtual Globe的网络三维GIS可视化算法。设计了基于异步多线程的网络海量空间数据调度与可视化算法，通过场景绘制线程、I/O线程、后台的多线程优先下载队列以及数据预读策略、缓存技术，实现了网络海量空间数据的三维可视化框架。在异步多线程的海量空间数据调度和可视化算法基础上，设计了面向Virtual Globe的三维椭球体和三维地形的建模方法、细节层次模型(LOD)与数据调度算法、场景绘制流程、纹理映射算法；设计了三维地形的多层矢量数据叠加与影像纹理映射算法；设计了三维城市模型实时渲染与数据调度算法。基于论文三维椭球体和三维地形的建模方法，设计了面向三维椭球体的空间对象拾取中的高效可行的地形校正算法，为空间查询和分析奠定了基础。
(5)基于面向Virtual Globe的三维GIS软件技术理论框架和关键技术研究，设计开发了面向网络的组件式三维地理信息平台软件的原型系统——TelluroMap。TelluroMap包括服务器端(Server)、离线数据处理模块(Fusion)和组件式三维客户端(GlobeEngine)。TelluroMap通过Server提供自己的空间数据、空间分析、空间应用服务，同时通过适配器(Adapter)与其他WebGIS服务、WMS、WFS服务进行无缝聚合和衔接；应用Fusion对DEM、影像、三维模型等空间数据进行预处理和入库；基于组件技术的GlobeEngine可以嵌入其他任意应用，并与TelluroMap Server提供的服务或其他WebGIS系统提供的服务进行集成、整合。在TelluroMap支持下，实现了三峡地质灾害防治决策支持系统三维视景漫游子系统，基于该子系统，对三峡地质灾害防治决策支持系统各个应用系统和GIS子系统进行了整合，为最终用户提供了统一的用户界面，实现了三峡库区异构多源海量空间数据的三维可视化与实时漫游、矢量数据叠加、空间查询和属性查询、空间量算和空间分析等功能。应用表明，TelluroMap在体系结构，海量空间数据组织、空间索引算法、三维可视化等关键问题上都取得了重大突破，可以满足基于网络的三维GIS系统应用需求。
论文借鉴和引入了Virtual Globe相关技术，针对网络异构多源海量空间信息，对面向Virtual Globe的网络三维GIS软件平台体系结构与关键技术相关的理论框架、算法、软件技术进行了深入研究，对网络三维GIS软件技术和下一代GIS软件平台研究具有重要理论意义和实用价值；通过开展面向Virtual Globe的基础(GIS平台软件研究，实现我国自主GIS基础平台软件的跨越式发展，进一步提高我国GIS基础平台的市场占有率，对我国社会经济、(GIS产业发展和数字地球、数字国土战略也具有紧迫的现实意义和重大的战略意义。