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从“GIS的内涵和发展”一文，已经认识到GIS既是一门新兴的高技术，又是一门集多学科于一体的新兴边缘科学。目前在全球范围内，GIS的应用已经渗入各行各业，参与GIS开发和研究的人员遍及各部门，从事GIS产品经销的厂家已超过300个，GIS市场的年增长率达35％以上等。GIS之所以具有如此广泛的市场和吸引力，其中一个很重要的原因在于GIS技术的进步，具体表现在：GIS由优良的硬件环境、多功能的软件模块、能准确地描绘地理空间的数据模型和便于沟通人机联系的用户界面组成，使系统具有结构、功能和效率的高度统一，这就是GIS的构成（图1）。
图1 GIS的构成示意图
从用户角度看，硬件是GIS的主体，硬件的平均寿命为3～5年，对于不同的用户和任务，如何选择具有最高性能价格比的设备，关系到系统的投资和效益；在软件方面，它是GIS的核心，但是用户必须清楚地看到，目前市场上出售的GIS软件都是针对某一特定机型及其操作系统设计的，如何使选择的软件既适合应用，又便于操作，而且又具备二次开发能力；数据（空间数据）是GIS的血液，但是数据模型的选择、数据结构的确定，以及数据质量和精度的可靠性分析，不但关系到软件运行的可行性，而且关系到数据处理效率和能否支持空间定位的大事；最后，用户界面是用户与系统沟通的工具，是否具有一个友好的用户界面，关系到用户的操作及系统功能的有效响应和发挥等。所有这些问题，属于GIS的设计，以下分别予以介绍。
地理信息系统的硬件设备是用于存储、处理和显示地理信息或数据的，其基本类型如图2所示。作为主机的计算机包括图形工作站、PC微机和小型机，它用作数据的管理、处理和分析，还可以与磁盘驱动器连接在一起提供存储数据和程序的空间；数字化仪将地图和图像转换成数字形式输入计算机；绘图仪或其他显示装置用来生成可视化的GIS产品等；磁盘是GIS必备的存储设备，分硬盘和软盘两种，硬盘的存取速度和容量要比软盘大得多，近年来，具有很大容量和传输速度的光盘也已开始得到应用。
图2 地理信息系统的主要硬件设备
软件模块的作用是执行GIS的一系列操作，按照GIS对空间数据进行采集、管理、处理、分析、建模和显示等不同功能，可将GIS软件系统中与用户有关的软件分为五大模块（图3），具体如下。
图3 GIS的主要软件模块
（1）数据输入。数据输入包括将现有地图、测量成果、遥感图像和文本资料等转换为计算机兼容的数字形式的各种转换软件，这些软件必须分别与不同的输入设备匹配使用。
（2）数据编辑。数据编辑包括图形及文本的编辑，其功能是提供对已拾取的空间数据进行错误自检、窗口变换操作、点线的添加与删除、线段的分割、链与区码的修改、结点匹配以及图形拓扑关系的自动建立等，以便将经编辑后的数据送入数据库中。
（3）数据存储与数据库管理。数据存储与数据库管理的任务是保证系统的几何数据、拓扑数据和属性数据的合理组织及空间与属性数据的连接，以便于计算机处理和系统用户的查询、更新和理解。用于组织数据库的计算机软件称为数据库管理系统（DBMS）。
（4）数据处理与分析。数据处理与分析是地理信息系统功能的主要体现，包括对原有信息形式的加工和转换，以及空间查询和空间分析，例如数字地形模型分析、网络分析、叠置分析和缓冲带分析等。
（5）数据表达与输出。指系统将分析和处理的结果或产品传输给用户，其形式可以是地图、表格、图表或文字等。
GIS的操作对象是空间数据，因此设计和使用GIS的第一步工作就是建立地理或空间数据库（图4）。空间数据在GIS中不但被访问、操作和变换处理，而且是研究环境过程、分析发展趋势和预估规划决策的重要基础，因此有人将空间数据比喻为GIS的血液，这是不过分的。保证系统原始数据的精度和现势程度，特别是支持空间定位的基础数据，要认真研究其采用坐标系统、比例尺、分辨力、投影类型和成图方法等，是至为重要的。否则，输入GIS的数据是“垃圾”，这是有深刻的国际教训的，必须予以充分的注意。
图4 空间数据库的组成
一般地，表示地理现象的空间数据可以分为七种不同的类型。
①类型数据：例如考古地点、道路线和土壤类型的分布等；
②面域数据：例如随机多边形的中心点、行政区域界线和行政单元等；
③网络数据：例如道路交点、街道和街区等；
④样本数据：例如气象站点、航线和野外样方分布区等；
⑤曲面数据：例如高程点、等高线和等值区域等；
⑥文本数据：例如地名、河流名称和区域名称等；
⑦符号数据：例如点状符号、线状符号和面状符号（晕线）等。
所有这些不同类型的数据都可以分为点、线、面三种不同的图形，并可以分别采用 x 、 y 平面坐标，地理经纬度 λ 、 ψ ，或者栅格法表示。凡利用离散的线或点的 x 、 y 坐标确定实体的位置，描述地理现象和现象特征的，称为矢量数据结构（图5）；凡以一定尺寸的栅格单元及其对应的值来描述实体空间变化特征的，称为栅格数据结构（图6）。两种数据结构的优缺点如表1所示。
图5 矢量数据结构
图6 栅格数据结构（1表示水域，2表示河流）
表1 矢量与栅格数据结构的比较
在地理信息系统中，为了真实地反映地理实体，输入的数据要包括实体的几何位置、属性特征及实体间的拓扑关系等信息，因此建立数据库时需要考虑的一个非常重要的问题是数据如何结构和组织。目前许多GIS对图形数据和属性数据采取分别管理的办法，即图形数据采用拓扑数据模型，而属性数据则采用关系数据模型。最近兴起的面向对象的数据模型，是采用统一的数据库管理系统同时管理图形数据和属性数据。数据结构和组织方式的不同，不但关系到系统软硬件的选择和系统功能，而且关系到系统数据处理的方式及产品输出的类型，系统设计人员应根据用户需求、硬件性能、数据类型和相应的数据处理算法加以认真研究和选择。一般的看法是，矢量和栅格数据结构是GIS的两种互补形式，可选其中一种作为主要形式，而另一种作为辅助形式，这称为混合数据结构。
友好的用户界面和训练有素的管理人员是GIS不可忽视的重要组成部分。由于GIS系统复杂，功能繁多，且用户又往往为非计算机专业人员，因此，作为用户与系统交互工具的界面设计，就成为系统非常重要的组成部分。
通过前面对现代地理信息系统技术结构的介绍，我们发现计算机技术与空间数据相结合，为用户提供了空间分析的有效手段，但是要真正建立一个使用可靠和有效运行的GIS系统却不是一件容易的事。GIS用户绝对不可盲目认为购置了GIS软硬件就算大功告成了，实际经验表明：在投资方面，用于GIS硬件、软件和空间数据库的比例为1∶5∶10，这意味着购置了GIS软硬件只是完成了总工作量的1/3。GIS工程的成败及效益将取决于GIS工程的组织水平，包括技术力量的协调、工程建设的管理及数据源和数据流程的组织等重要问题。
有效的GIS设计一般分为可行性研究、系统设计、方案实施和组装运行四个阶段（图7）。
图7 GIS系统的设计流程
可行性研究的基本思想是从系统观点出发，进行大量的现状调查，以明确系统的轮廓、目标、用户结构、数据源和基本功能等。现状调查的内容包括用户需求、数据源和类型、软硬件市场、技术力量和投资环境评估等，最后形成用户需求报告和可行性报告，并经上级部门批准后便可立项。
在调查分析的基础上，明确系统的目标，弄清用户要解决什么问题，确定系统建设的目的、环境和原则，确定系统的软硬件配置、数据结构和数据库管理系统，建立系统运行管理及更新手段，制定各类标准和规范，提出经费预算和实施计划等，并进行典型样区（4～8平方公里）试验，最后以此为基础完成总体方案的设计。总体方案经过专家评议和论证后，作为系统建设中最重要的总控文件。
在总控文件的规划下，为了使系统目标得以付诸实施，必须拟定实施方案。实施方案的设计内容包括：各个子系统功能设计、模块设计、空间数据库的内容及结构设计、数字化作业方案设计、应用模型设计等。如果选择现有的软硬件和空间数据库管理系统，则必须提出测试指标和要求，从而产生一系列的作业流程规范和技术指标说明文件，以指导GIS工程的建设。
方案实施的任务包括软硬件的安装和调试，按照模块编写程序和程序调试，建立数据库，以及子系统应用模型的开发等。方案实施阶段要着重坚持采用系统工程的管理机制，严格质量检查和精度控制措施，要确保系统之间数据传送性能和处理速度等。
组装运行包括建立一个交付使用的系统实体及系统实体的评价、管理和维护等。