随着GIS技术的发展，二维GIS已经无法满足用户的需求，用户需要更为直观、真实的三维GIS来作为交互式查询和分析的媒介。三维GIS是GIS的一个重要发展方向，也是GIS研究的热点之一，其研究范围涉及数据库、计算机图形学、虚拟现实等多门科学领域。目前，国内外许多学者对三维GIS的三维结构、三维建模以及单一领域的应用提出了许多方法和技术手段。现有的三维GIS中，系统功能在三维场景可视化、实时漫游等方面取得了较好的成果，但查询分析功能比较弱。然而恰恰是这一功能在三维GIS的实现和应用中具有十分重要的地位，它使三维GIS具有辅助决策支持能力。然而三维查询分析的实现却非常困难，三维GIS在数据的采集、管理、分析、显示和系统设计等方面要比二维GIS复杂得多，并不是简单地增加Z坐标的问题。尽管有些GIS软件采用建立数字高程模型的方法来处理和表达地形的起伏，但涉及地下和地上的三维的自然和人工景观就无能为力，只能将其投影到地表，再进行处理，这种方式实际上仍是以二维的形式来处理数据。试图用二维系统来描述三维空间的方法，必然存在不能精确地反映、分析和显示三维信息的问题。
三维GIS是许多应用领域对GIS的基本要求。随着计算机技术的发展，以前只能应用于大型的主机和图形工作站上的三维显示，也能在普通的PC机上实现，以前的GIS大多提供了一些较为简单的三维显示和操作功能，但这与真三维表示和分析还有很大差距。现在，三维GIS可以支持真三维的矢量和栅格数据模型及以此为基础的三维空间数据库，解决了三维空间操作和分析问题。特别是三维GIS与虚拟现实、人工智能等技术的结合应用，将使三维GIS更加真实地表现现实世界，也更符合用户的需求。
目前，三维G1S的研究重点集中在三维数据结构（如数字表面模型、断面、柱状实体等）的设计、优化与实现，以及可视化技术的运用、三维系统的功能和模块设计等方面。 时态GIS
传统的GIS处理的是无时间概念的数据，只能是现实世界在某个时刻的“快照”。它把时间当作一个辅助因素，当被描述的对象随时间变化比较缓慢且变化的历史过程无关紧要时，可以用数据更新的方式来处理时间变化的影响。然而，GIS 所描述的现实世界是随时间连续变化的，随着GIS应用领域的不断扩大，在如下应用中，时间维必须作为与空间等量的因素加入到GIS中来。
一是对象随时间变化很快，噪声污染、水质检测、日照变化等，一秒钟得到一个甚至几个数据。二是历史回溯和衍变，地籍变更、环境变化、灾难预警等需要根据已有数据回溯过去某一时刻的情况或预测将来某一时刻的情况。三是地球科学家想对某一时刻的所有地质条件或某一时间段内的平均地质条件进行评价，他们是否能容易地获得在“A 时刻的值或从时间B 到时间C 这段时间内的值”。
将时间的影响考虑到GIS应用中，就产生了时态GIS或四维GIS。当前主要的时态GIS 模型包括空间－时间立方体模型、序列快照模型、基图修正模型、空间－时间组合体模型 。时态GIS 的研究重点主要在时空数据库模型（如何设计并建立一个有效的数据库结构来存储时空数据）、时空分析和推理（如何根据数据库中大量的时间序列数据和空间数据进行包括时间推理和空间推理在内的数据分析）、时空数据库管理系统（目前主要研究的是时空数据库查询语言，而真正数据库管理系统层次的研究很少）、时空数据的可视化研究（探讨不同时间数据的显示、制图和符号化） 4个方面。其中有关时空数据库模型的研究比较深入，而对时态的可视化问题研究较少，过去一般借助轨迹线等方法描述地理数据的时态特征，现在的研究是向借助动画技术表述地理数据时间维的方向发展。