Geografické informační systémy (GIS), obdobně jako veškeré další informační systémy (např. ekonomické informační systémy jednotlivých podniků, obecně databázové), jsou určeny především pro zpracování hromadných dat. Je zde však rozdíl v tom, že v GISu jsou informace vázány na graficky vyjádřenou prostorovou informaci (návaznost na prostorovou identifikaci umožňují i jiné informační systémy, chybí u nich však možnost grafického vyjádření informací). Laicky řečeno, uživatel má možnost připojovat své údaje k "mapám". GIS pak umožňuje provádět nad daty analýzy a to jak v oblasti databázové, tak i v oblasti grafické.
Často také dochází k zaměňování GIS s jinými graficky orientovanými programy, především pak CAD systémy jako např. AutoCAD nebo Microstation. Tyto programy také umožňují zpracovávat mapové podklady, ale neposkytují všechny možnosti GISu v oblasti analýzy dat.
To souvisí s odlišnostmi, které determinují funkce CAD a GIS. GIS je modelem zásadně jiné reality, než CAD. Předmětem CAD je konstrukce nových objektů, zatímco GIS spíše monitoruje již existující objekty. Tvary, počet a pravidelnost objektů v CAD a GIS jsou rozdílné. Uplatnění topologie a návaznost na připojenou databázi popisných údajů jsou v GIS akcentovány daleko více než v CAD.
Jak již bylo výše uvedeno, GIS pracují s prostorovými a deskriptivními údaji. V oblasti prostorových dat existuje celá řada modelů pro ukládání a manipulaci s daty. Zřejmé jsou dvě kategorie: vektorové modely a rastrové modely.

Organizace struktury prostorových dat

Vektorový model zrcadlí takové chápání reálných objektů v prostoru, kdy objekty samy definují prostor, který zaplňují a prostor mimo ně definovaný není.
Rastrový model je založen na jiném pojetí. Prostor v něm je definovaný jako kontinuum, ve kterém objekty zaujímají určité místo.

Vektorový model prostorových dat

Pro vektorové modely je typický pojem topologie. Vektorové topologické modely jsou vysoce strukturalizované. Topologie popisuje některé vztahy mezi objekty navzájem (sdílení uzlů, hranic, skládání se z ...).
V cílovém stavu je vytvořena základní mapa v této topologické struktuře, je z ní zřejmé, co jednotlivé objekty na mapě znamenají.

Vektorově orientované systémy umožňují lepší členění "map" do objektů a vyhledávání horizontálních vztahů mezi objekty (např.: najdi všechny obytné objekty ležící v jisté vzdálenosti od dané silnice). Informace vyjádřené mapou jsou prezentovány graficky jako soubor dílčích grafických složek. Dá se definovat základní skupina prvků - body, linie a plochy. Prostorová informace je vyjádřena bodově pro prvky typu např. prameny či sloupy, liniově pro prvky typu silnice, vodní toky či potrubí, a plošně pro prvky, jakými jsou jezera, lesy nebo okresy.

• bodový prvek je vyjádřen diskrétní polohou definující mapovaný prvek, jehož hranice nebo tvar jsou příliš malé, aby jej bylo možno vyjádřit jako linii nebo plochu. Nebo se může jednat o bodový prvek, který nemá plochu, např. horský vrchol.
• liniový prvek je uspořádaný soubor souřadnic, které po svém zřetězení vydají tvar linie takového prvku na mapě, který je příliš úzký, aby mohl být vyjádřen jako plocha. Nebo to může být prvek, který nemá šířku, např. vrstevnice.
• plošný prvek je uzavřený obrazec, jehož hranice vymezují nějakou homogenní oblast.

Atributy prostorových dat jsou zpracovány jako relační databázový model zahrnující reálná a celá čísla, texty a reference na další relační tabulky. Tato data jsou automaticky propojena s údaji na mapě v topologické struktuře.
Toto vše otevírá širší možnosti analýz prostorových vztahů a zvyšuje konzistence v databázi. Zároveň je tento způsob uložení dat velice hospodárný.
Způsob pořízení dat je však časově náročnější, a tedy i výrazně dražší. Jedná se zejména o různé způsoby vektorizace :manuální přímo z mapových podkladů nebo pomocí digitizéru a příslušného vektorizačního software. Přesnost pořizování takových vektorových dat je závislá na kvalitě mapového podkladu, na použité digitalizační technice a na přesnosti operátora. Zároveň se obtížněji vkládají hodnoty atributových údajů.

• vektorizace naskenovaného podkladu na obrazovce počítače. Je to v současné době velmi používaná metoda. Původní podklad je naskenováním převeden do rastrového tvaru a pak je na obrazovce počítače provedena vektorizace manuální, poloautomatická nebo automatická.

Obdobným způsobem lze vytvářet geografické vrstvy i z nemapových podkladů. Z pohledu využití v GIS je, vzhledem k úspornějšímu uložení a snazším a bohatším analytickým možnostem, snaha o převedení většiny základních dat do vektorového tvaru. Vektorová data jsou pak uložena podle témat do jednotlivých vrstev (vrstva silnic, vod, lesů apod.).

Rastrový model prostorových dat

Rastrové modely obsahují prostorové vztahy implicitně, na rozdíl od modelů vektorových, které se o uložení prostorových vztahů musejí postarat explicitně.

Rastrové modely lze rozdělit na:

• pravidelné - prostor je popsán množinou bodů stejné velikosti pravidelně uspořádaných v řádcích a sloupcích
• nepravidelné - body jsou různých tvarů a velikostí

Přesnost modelu je určena velikostí bodu. U pravidelných rastrových modelů se používá řada kompresních metod, což snižuje paměťovou náročnost a zrychluje zpracování. To zase umožňuje použít základní bod menší a dosáhnout tak většího rozlišení dat.

Pořizování rastrových dat je většinou poměrně jednodušší. Jedná se zejména o skenování mapových podkladů nebo vyhodnocování různých druhů leteckých a družicových snímků. Samotná přesnost postupu je závislá na kvalitě skeneru a na zvolené hustotě rastru, která se udává hodnotou počtu bodů na palec (dpi - dot per inch). Vyšší rozlišovací schopnost logicky však přináší vyšší nároky na velikost souboru, která roste kvadraticky s rozlišením. Menší počet elementů skenovaného podkladu znamená nižší nároky na paměť při využití komprimovaných formátů uložení dat. Vysoké paměťové nároky pak klade barevný rastr - opět úměrně k použité tzv. hloubce barvy.
Rastrově orientované systémy umožňují dobře provádět analýzu mezi jednotlivými vrstvami (např. pracujeme-li s vrstvou znázorňující rozložení lesů nebo továren v určité oblasti a vrstvou zatížení emisemi, v rastrové formě snadno provedeme průniky těchto vrstev).