（1）空间数据。空间数据用来确定图形和制图特征的位置，是以地球表面空间位置为参照的。它反映了两方面信息：一是几何坐标，即在某个已知坐标系中的位置，如经纬度、平面直角坐标、极坐标下的位置；二是拓扑关系，即实体间的空间相关性，表示点、线、网、面等实体之间的空间关系，如网络节点与网络之间的枢纽关系、边界线与面实体间的构成关系、面实体与岛或内部点的包含关系等。
（2）非空间的属性数据。非空间的属性数据用来反映非几何属性，即与几何位置无关的属性。主要是与地理实体相联系的地理变量或地理意义。非几何属性可以分为两方面信息：一是定性属性，包括名称、类型、特性等，如土壤种类、岩石类型、土地利用等；二是定量属性，包括数量和等级等，如土地面积、人口数量、土地等级、水土流失量等。
4.系统使用与管理人员
GIS是一个动态的地理模型，是一个复杂的人机系统。因此，在包含了系统硬件、软件和数据结构之外，GIS必须处于相应的机构或组织环境内，需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充等。所以，系统的使用与管理人员是GIS中的重要因素。
5.应用模型
GIS应用模型的构建和选择是GIS应用系统成败的至关重要因素。它是在对专业领域的具体对象与过程大量研究基础上总结出的规律，GIS应用就是利用这些模型对大量空间数据进行分析综合来解决实际问题的，如基于GIS的物流系统分析模型、车辆追踪模型等。应用模型是GIS技术产生社会经济效益的关键所在，也是GIS生命力的重要保证，因此，它在GIS技术中占有十分重要的地位。
二、GIS的功能
GIS技术的强大生命力来源于其强大的地理空间信息的处理能力。GIS就是通过对空间信息及其相关属性信息的处理，将各种详细的地理资料（与地理空间有关的图形资料和属性资料）整合成综合性的地理信息资料库，通过应用软件，将各种相关信息以文字、数字、图表、声音、图形或配以地图的形式，提供给规划者及决策者使用。GIS作为一个空间信息系统具有5项基本功能，即数据采集与输入、数据编辑与更新、数据存储与管理、空间数据查询与分析、数据输出与表达。
1.数据采集与输入
数据的获取包括数据的采集与输入，即将系统外部的原始数据传输到系统内部，并将它们从外部格式转换为系统能够识别和处理的内部格式存储于系统的地理数据库中。
将地理数据有效地输入到GIS中是一项琐碎、费时、代价昂贵的任务，大多数地理数据是从地质地图输入GIS的。常采用的输入方法有键盘输入、利用数字化仪和扫描仪进行数字化和扫描等。
目前GIS的输入正在越来越多地借助非地图形式，如将遥感（RS）、全球定位技术（GPS），和地理信息系统相结合，这将为GIS的数据获取提供更先进、更丰富的手段，遥感数据和图像现已成为了GIS重要的数据来源，而GPS可同时测定空间实体的三维坐标，可以准确、快速地定位在地球表面的任何地点，可为GIS提供准确的地理数据。
2.数据编辑与更新
数据编辑主要包括图形编辑和属性编辑。图形编辑主要包括拓扑关系建立、图形编辑、图形整饰、图幅拼接、图形变换、投影变换、误差校正等功能，属性编辑主要与数据库管理结合在一起完成。
3.数据的存储与管理
数据的有效组织与管理，是GIS系统应用成功与否的关键。主要提供空间与非空间数据的存储、查询检索、修改和更新的能力。矢量数据结构、光栅数据结构是存储GIS的主要数据结构。数据结构的选择在相当程度上决定了系统所能执行的功能。数据结构确定后，在空间数据的存储与管理中，关键是确定应用系统空间与属性数据库的结构以及空间与属性数据的连接。目前广泛使用的GIS软件大多数采用空间分区、专题分层的数据组织方法，用GIS管理空间数据，用关系数据库管理属性数据。
4.空间数据查询与分析
空间查询与分析是GIS的核心，是GIS最重要的和最具有魅力的功能，也是GIS有别于其他信息系统的本质特征。地理信息系统的空间分析可分为三个层次的内容：
（1）空间检索。包括从空间位置检索空间物体及其属性、从属性条件检索空间物体。
（2）空间拓扑叠加分析。实现空间特征（点、线、面或图像）的相交、相减、合并等，以及特征属性在空间上的连接。
（3）空间模型分析。如数字地形高程分析、BUFFER分析、网络分析、图像分析、三维模型分析、多要素综合分析及面向专业应用的各种特殊模型分析等。
5.数据输出与表达
中间处理过程和最终结果的可视化表达是GIS的重要功能之一。通常以人机交互方式来选择显示的对象与形式，对于图形数据，根据要素的信息密集程度，可选择放大或缩小显示。GIS不仅可以输出全要素地图，也可以根据用户需要，分层输出各种专题图、各类统计图、图表及数据等。
除上述五大功能外，还有用户接口模块，用于接收用户的指令、程序或数据，是用户和系统交互的工具，主要包括用户界面、程序接口与数据接口。由于地理信息系统功能复杂，且用户又往往为非计算机专业人员，用户界面是地理信息系统应用的重要组成部分，使地理信息系统成为人机交互的开放式系统。
三、空间数据的获取
1.GIS数据的来源
地理信息系统的数据源是指建立地理信息系统数据库所需要的各种类型数据的来源主要包括以下各种。
（1）地图。各种类型的地图是GIS最主要的数据源，因为地图是地理数据的传统描述形式、包含着丰富的内容，不仅含有实体的类别或属性，而且实体的类别或属性可以用各种不同的符号加以识别和表示。我国大多数的GIS系统的图形数据主要来自地图，包括普通地图、地形图和专题图。
但由于地图以下的特点，应用时需加以注意：①地图存储介质的缺陷。地图多为纸质，由于存放条件的不同的，都存在不同程度的变形，在具体应用时，需对其进行纠正；②地图现实性较差。由于传统地图更新需要的周期较长，造成现存地图的现实性不能完全满足实际的需要；③地图投影的转换。由于地图投影的存在，使得不同地图投影的地图数据在进行交流前，需先进行地图投影的转换。
（2）遥感影像数据。遥感数据是一种大面积的、动态的、近实时的数据源，是GIS的重要数据源。遥感数据含有丰富的资源与环境信息，在GIS的支持下，可以与地质、地球物理、地球化学、地球生物、军事应用等方面的信息进行信息复合和综合分析。
（3）社会经济数据。社会经济数据是GIS的数据源，尤其是GIS属性数据的重要来源。
（4）实测数据。各种实测数据特别是一些GPS、大比例尺地形图测量数据、试验观测数据等常常是GIS的一个很准确和很现实的资料。
（5）数字数据。随着各种GIS系统的建立、直接获取数字图形数据和属性数据的可能件越来越大，数字数据成为GIS信息源不可缺少的一部分。
（6）文本、报告和立法文件。文本资料是指各行业、各部门的有关法律文档、行业规范、技术标准、条文条例等，如边界条约等，这些都属于GIS的数据。在一些管理类的GIS系统中使用了很多各种文字报告和立法文件。如在城市规划管理信息系统中，各种城市管理法规及规划报告在规划管理工作中起着很大的作用。
2.GIS数据的采集
（1）属性数据的采。属性数据又称为语义数据、非几何数据，是描述实体数据的属性特征的数据，包括定性数据和定量数据。定性数据用来描述要素的分类或对要素进行标名。定量数据是说明要素的性质、特征或强度的，如距离、面积、人口、产量、收入、流速以及温度和高度等。
当属性数据的数据量较小时，可以在输入几何数据的同时，用键盘输入；但当数据量较大时，一般与几何数据分别输入，检查无误后转入到数据库中。属性数据的录入有时也可以借助字符识别软件。
（2）几何数据的采集。在GIS的几何数据采集中，如果几何数据已存在于其他的GIS或专题数据库中，那么只要经过转换装载即可。对于由测量仪器获取的几何数据，只要把测量仪器的数据输入到数据库中即可，测量仪器如何获取数据的方法和过程通常是与GIS无关的。但也有许多GIS软件如MapGIS、superMap等带有测量制图模块，其图形数据可直接为GIS建库所用。对于矢量数据的获取，GIS中的采集方法主要包括地图跟踪数字化与地图扫描数字化。
四、空间数据管理
（一）空间数据的分类
在地理信息系统中，按照空间数据的特征，可将其分为三种类型：空间特征数据（定位数据）、专题特征数据（非定位数据）和时间属性数据（尺度数据）。
1.空间特征数据
空间特征指空间物体的位置、形状和大小等几何特征以及与相邻物体的拓扑关系，空间特征又称为几何特征或定位特征。空间特征数据记录的是空间实体的位置、拓扑关系和几何特征，这是地理信息系统区别于其他数据库管理系统的标志。
空间位置可以由不同的坐标系统来描述，如经纬度坐标、一些标准的地图投影坐标或任意的直角坐标等。人类对空间目标的定位一般不是通过实体的坐标，而是确定某一目标与其他目标间的空间位置关系，而这种关系往往也是拓扑关系。
2.专题特征数据
专题特征数据是指地理实体所具有的各种性质，如变量、级别、数量特征和名称等。如一条道路的属性包括路宽、路名、路面材料、路面等级、修建时间等。属性数据本身属于非空间数据，但它是空间数据中的重要数据成分，它同空间数据相结合，才能表达空间实体的全貌。属性特征的测量是按属性等级的差异以及量度单位的不同进行的。
3.时间属性数据
时间特征（时间尺度）指地理实体的时间变化或数据采集的时间等，其变化的周期有超短期的、短期的、中期的、长期的等。严格地讲，空间数据总是在某一特定时间或时段内采集得到或计算产生的。由于有些空间数据随时间变化相对较慢，因而有时被忽略；有时，时间可以被看成一个专题特征。
对于绝大部分地理信息系统的应用来说，时间和专题属性数据结合在一起共同作为属性特征数据，而空间特征数据和属性特征数据统称为空间数据（或地理数据）。那么，地理信息系统是如何建立空间特征数据和属性特征数据之间的联系呢？我们已经知道了空间特征是如何通过坐标值和拓扑关系来表达，属性特征又是怎样组织成表格中一系列的记录，如果对于每一个具有拓扑关系的空间特征以及这个空间特征的一个描述记录赋予共同并且是唯一的标识符（Identifier），那么，由于这个标识符保证了在空间特征和属性记录之间一一对应的关系，这样，就可以通过空间记录查找并显示属性信息，或者依据存储在属性表格中的属性生成具有地学分析意义的空间图形，如地图。
（二）空间数据结构及编码
空间数据结构是指适合于计算机系统存储、管理和处理的地理图形的逻辑结构，是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。它是对数据的一种理解和解释，对同样的一组数据，按不同的数据结构去处理，得到的可能是截然不同的内容。空间数据结构是地理信息系统沟通信息的桥梁，只有充分理解地理信息系统所采用的特定数据结构，才能正确地使用系统。
数据结构的概念至今尚未有一个公认的定义，一般认为，数据结构是相互之间存在一种或几种特定关系的数据元素的集合，它是指并非孤立存在的数据元素之间相互关系的描述。
空间数据的结构基本上可分为两大类：栅格结构和矢量结构（栅格模型和矢量模型），两类结构都可用来描述地理实体的点、线、面三种基本类型。栅格和矢量模型最根本的区别在于它们表达空间概念的不同。栅格模型采用面域或空域枚举来直接描述空间目标对象；矢量模型用边界或表面来表达空间目标对象的面或体要素，通过记录目标的边界，同时采用标识符表达它的属性来描述对象实体。
1.栅格数据结构
栅格结构是最简单、最直接的空间数据结构，是指将地球表面划分为大小均匀、紧密相邻的网格阵列，每个网格作为-个像元或像素，由行、列定义，并包含一个代码表示该像素的属性类型或量值。或仅仅包括指向其属性记录的指针。因此，栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地物或现象的非几何属性特征。栅格数据结构实际就是像元阵列，每个像元的大小代表了定义的空间分辨率，每个像元由行列确定其的位置。在栅格结构中，点用-个栅格单元表示；线状地物用沿线走向的一组相邻栅格单元表示，每个栅格单元最多只有两个相邻单元在线上；面或区域用记有区域属性的相邻栅格单元的集合表示，每个栅格单元可有多于两个的相邻单元同属一个区域。遥感影像属于典型的栅格结构，每个像元的数字表示影像的灰度等级。
