3D geovisualization systems (3DGeoVSs) that use 3D geovirtual environments as a conceptual and technical framework are increasingly used for various applications. They facilitate obtaining insights from ubiquitous geodata by exploiting human abilities that other methods cannot provide. 3DGeoVSs are often complex and evolving systems required to be adaptable and to leverage distributed resources. Designing a 3DGeoVS based on service-oriented architectures, standards, and image-based representations (SSI) facilitates resource sharing and the agile and efficient construction and change of interoperable systems. In particular, exploiting image-based representations (IReps) of 3D views on geodata supports taking full advantage of the potential of such system designs by providing an efficient, decoupled, interoperable, and increasingly applied representation. However, there is insufficient knowledge on how to build service-oriented, standards-based 3DGeoVSs that exploit IReps. This insufficiency is substantially due to technology and interoperability gaps between the geovisualization domain and further domains that such systems rely on. This work presents a coherent framework of contributions that support designing the software architectures of targeted systems and exploiting IReps for providing, styling, and interacting with geodata. The contributions uniquely integrate existing concepts from multiple domains and novel contributions for identified limitations. The proposed software reference architecture (SRA) for 3DGeoVSs based on SSI facilitates designing concrete software architectures of such systems. The SRA describes the decomposition of 3DGeoVSs into a network of services and integrates the following contributions to facilitate exploiting IReps effectively and efficiently. The proposed generalized visualization pipeline model generalizes the prevalent visualization pipeline model and overcomes its expressiveness limitations with respect to transforming IReps. The proposed approach for image-based provisioning enables generating and supplying service consumers with image-based views (IViews). IViews act as first-class data entities in the communication between services and provide a suitable IRep and encoding of geodata. The proposed approach for image-based styling separates concerns of styling from image generation and enables styling geodata uniformly represented as IViews specified as algebraic compositions of high-level styling operators. The proposed approach for interactive image-based novel view generation enables generating new IViews from existing IViews in response to interactive manipulations of the viewing camera and includes an architectural pattern that generalizes common novel view generation. The proposed interactive assisting, constrained 3D navigation technique demonstrates how a navigation technique can be built that supports users in navigating multiscale virtual 3D city models, operates in 3DGeoVSs based on SSI as an application of the SRA, can exploit IReps, and can support collaborating services in exploiting IReps. The validity of the contributions is supported by proof-of-concept prototype implementations and applications and effectiveness and efficiency studies including a user study. Results suggest that this work promises to support designing 3DGeoVSs based on SSI that are more effective and efficient and that can exploit IReps effectively and efficiently. This work presents a template software architecture and key building blocks for building novel IT solutions and applications for geodata, e.g., as components of spatial data infrastructures. 3D-Geovisualisierungssysteme (3DGeoVSs), die geovirtuelle 3D-Umgebungen als konzeptionellen und technischen Rahmen nutzen, werden zunehmend für verschiedene Anwendungen eingesetzt. Sie erleichtern es durch die Ausnutzung menschlicher Fähigkeiten Erkenntnisse aus allgegenwärtigen Geodaten zu gewinnen, die andere Methoden nicht liefern können. 3DGeoVSs sind oft komplexe und kontinuierlich weiter entwickelte Systeme, die anpassungsfähig sein müssen und auf die Nutzung verteilter Ressourcen angewiesen sind. Die Entwicklung eines 3DGeoVS auf der Basis von serviceorientierten Architekturen, Standards und bildbasierten Repräsentationen (SSI) erleichtert die gemeinsame Nutzung von verteilten Ressourcen und die agile und effiziente Entwicklung und Änderung von interoperablen Systemen. Insbesondere unterstützt die Nutzung bildbasierter Repräsentationen (IReps) von 3D-Ansichten auf Geodaten die vollständige Realisierung des Potenzials solcher Systementwürfe durch die Bereitstellung einer effizienten, entkoppelten, interoperablen und zunehmend verwendeten Repräsentationsform. Es besteht jedoch ein Mangel an Wissen darüber, wie 3DGeoVSs entwickelt werden können, die auf serviceorientierten Architekturen und Standards basieren und IReps ausnutzen können. Dieser Mangel ist wesentlich zurückzuführen auf die Technologie- und Interoperabilitätslücken zwischen dem Bereich der Geovisualisierung und weiteren Bereichen, auf die solche Systeme angewiesen sind. Diese Arbeit präsentiert ein kohärentes Rahmenwerk von Beiträgen, die dabei unterstützen können, die Softwarearchitekturen betrachteter Systeme zu entwerfen und IReps für die Bereitstellung, die visuelle Gestaltung und die Interaktion mit Geodaten zu nutzen. Die Beiträge integrieren auf besondere Weise vorhandene Konzepte aus unterschiedlichen Bereichen und neuartige Lösungen für identifizierte Einschränkungen bisheriger Ansätze. Die vorgeschlagene Software-Referenzarchitektur (SRA) für 3DGeoVSs unterstützt den Entwurf konkreter Softwarearchitekturen betrachteter Systemen. Sie beschreibt die Zerlegung von 3DGeoVSs in ein Netzwerk von Diensten. Um IReps effektiv und effizient nutzen zu können, integriert sie zudem die folgenden Beiträge. Das vorgeschlagene generalisierte Visualisierungspipelinemodell generalisiert das weit verbreitete Visualisierungspipelinemodell und überwindet dessen Einschränkungen in Bezug auf die Verarbeitung von IReps. Der vorgeschlagene Ansatz für die bildbasierte Bereitstellung von Geodaten ermöglicht es bildbasierte Sichten (IViews) zu erzeugen und Dienstkonsumenten mit ihnen zu versorgen. IViews sind erstrangige Datenentitäten in der Kommunikation zwischen Diensten und stellen eine geeignete IRep und Kodierung von Geodaten dar. Der vorgeschlagene Ansatz für die bildbasierte, visuelle Gestaltung trennt die Zuständigkeiten der Erzeugung eines Bildes von denen der visuellen Gestaltung des Bildes. Der Ansatz ermöglicht die visuelle Gestaltung von einheitlich durch IViews repräsentierten Geodaten. Die visuelle Gestaltung wird dabei durch die algebraische Komposition abstrakter Gestaltungsoperatoren spezifiziert. Der vorgeschlagene Ansatz für die interaktive Bilderzeugung ermöglicht es als Reaktion auf interaktive Manipulationen der Betrachtungskamera neue, durch IViews repräsentierte 3D-Ansichten von Geodaten aus bestehenden 3D-Ansichten zu erzeugen. Der Ansatz umfasst ein Architekturmuster, das bisherige Ansätze zusammenfasst und verallgemeinert. Die vorgeschlagene assistierenden, einschränkenden 3D-Navigationstechnik demonstriert, wie eine interaktive Navigationstechnik entwickelt werden kann, die Nutzer beim Navigieren in multiskalaren virtuellen 3D Stadtmodellen unterstützt, als Anwendung der vorgeschlagenen SRA in SSI-basierten 3DGeoVSs funktioniert und für diesen Zweck sowohl IReps nutzt, als auch andere Dienste bei der Nutzung von IReps unterstützt. Die Validität der Beiträge dieser Arbeit wird gestützt durch prototypische Implementierungen und Anwendungen, sowie Effektivitäts- und Effizienzstudien einschließlich einer Nutzerstudie. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese Arbeit dabei unterstützen kann, 3DGeoVSs basierend auf SSI zu entwerfen, die sowohl effektiver und effizienter sind, als auch IReps effektiv und effizient nutzen können. Diese Arbeit stellt eine Muster-Softwarearchitektur und Schlüsselbausteine für die Entwicklung neuartiger IT-Lösungen und -Anwendungen für Geodaten vor, die sich beispielsweise in Geodateninfrastrukturen integrieren lassen.