虚拟现实地理信息系统(VR-GIS)是地理信息科学领域的一个研究热点。由于一直缺乏统一的三维图形规范，传统VR-GIS存在以下三点不足：难以实现数据的分布式存储、共享与互操作；体系结构封闭，导致与其它相关系统集成困难；缺乏开放性，功能难以扩展。本研究旨在以新一代三维图形标准X3D为技术核心，利用XML数据组织与交换技术、Web Services、网络数据传输技术和Xj3D等相关支撑技术，开发一个开放式VR-GIS原型系统。在对多种VR-GIS技术方案优缺点分析比较的基础上，重点剖析本研究所选择的X3D及其相关技术。探讨了基于X3D的三维空间数据共享与互操作问题，提出了采用金字塔分级和数据分块相结合的方式对DEM和DOM数据的存储管理，给出了基于X3D建模标准进行三维场景建模的方法。借鉴国内最新的研究成果，将VR-GIS分为分布式异构数据源、广义空间数据引擎、VR-GIS服务器和X3D客户端四个层次，设计了一个基于新一代三维标准X3D的四层分布式VR-GIS原型，试图从根本上解决传统VR-GIS存在的各种问题。研究表明，基于X3D设计的VR-GIS比传统VRML、OpenGL等技术设计的系统具有很大的优越性：既能充分利用现有的数据资源，又能与OGC的数据互操作规范协调一致，易于实现分布式异构空间数据共享与互操作、与已有GIS系统的应用集成。基于X3D技术标准设计的VR-GIS原型系统具有极好的应用前景。