三维地理信息系统（Geographic Information System,GIS）的发展迅速,将二维GIS中常用空间分析功能拓展到三维GIS,研究适用于真三维的空间分析算法,可以增强三维GIS的空间分析能力,从而推动三维GIS的应用。成本距离分析是GIS中的重要空间分析功能,可以综合多种地理信息,用于分析地理空间中要素移动问题,为资源的规划与合理利用提供指导。现有相关研究集中在对栅格成本距离分析算法的改进和应用上,但对三维成本距离分析的相关研究仍比较缺乏。与栅格成本距离分析相比,三维成本距离分析不再局限于某一成本面,可以对三维空间信息进行处理,解决真三维地理问题。本研究首先针对传统二维栅格成本距离算法提出一种提高其准确性的方法,然后将其拓展至三维空间,针对性地设计专门的体素空间三维成本距离算法,配以高效数据结构以提高算法效率,最后通过实际应用验证其有效性和实用性。本文主要工作和结论包括以下几个方面:（1）一种改进栅格成本距离分析准确性方法。针对传统栅格成本距离算法高估成本距离问题,通过模拟波的折射、被阻挡和直线传播过程,设计了在成本栅格中移动的通行规则,突破栅格数据结构对移动方向和步长的限制。利用两种典型的成本栅格数据,对结合了通行规则的改进成本距离算法进行验证,研究结果表明:与传统栅格成本距离算法、扩展邻域方法、后处理平滑方法相比,改进成本距离算法可以消除栅格中失真通行路径上的不必要偏折,对到达目标像元高估的成本距离进行校正,产生更为准确、合理的计算结果。（2）体素空间三维成本距离算法。利用体素模型对成本空间进行表达,基于体素的邻域关系构建加权网络模型;采用一种适用于体素空间的直线光栅化算法,实现体素空间移动通行规则;将通行规则和Dijkstra算法结合,提出三维成本距离算法,计算体素空间中所有体素到距其最近源的成本距离。与将传统栅格成本距离算法直接拓展到体素空间的未校正算法比较,研究结果表明:在均质成本空间中,未校正算法产生的高估成本距离问题较二维中更加严重,而本研究算法能计算出准确结果;在异质成本空间中,本研究算法能比未校正算法计算出更小的成本距离,在异质性低的成本空间中,本研究算法对成本距离高估问题的校正效果更显著。（3）对节点快速增删和查找的高效数据结构。分析算法中计算耗时操作,采用最小堆对活动体素列表中节点进行管理,实现对节点的快速增删;设计哈希表辅助对堆中节点的定位,实现对节点的快速查找。研究结果表明:与采用链表数据结构辅助算法实现相比,采用最小堆结合哈希表的数据结构可显著提升算法计算效率,且随体素数据量的增加,对计算效率的提升越显著。（4）三维成本距离分析实际应用。通过三个应用,验证体素空间三维成本距离算法的实用性:在城市环境中,进行无人机送货最短路径规划和配送点三维服务覆盖范围划分;基于数字高程模型（Digital Elevation Model,DEM）,利用三维成本距离,计算三维可视域;在三维异质水力传导场中,利用三维成本距离分析计算最小水力阻力。研究结果表明:较未校正算法,本研究提出的三维成本距离算法更能满足需要节约成本或对计算准确性要求较高应用的需求。