地理信息系统包含了处理空间或地理信息的各种基础的和高级的功能，其基本功能包括对数据的采集、管理、处理、分析和输出。同时，地理信息系统依托这些基本功能，通过利用空间分析技术、模型分析技术、网络技术和数据库集成技术等，更进一步演绎丰富相关功能，满足社会和用户的广泛需要。从总体上看，地理信息系统的功能可分为：数据采集与编辑、数据处理与存储管理、图形显示、空间查询与分析以及地图制作。
数据采集编辑
数据采集与编辑是GIS的基本功能，主要用于获取数据，保证地理信息系统数据库中的数据在内容与空间上的完整性、数值逻辑一致性与正确性等。
可用于地理信息系统数据采集的方法与技术很多。大多数GIS的地理数据来源于纸质地图，常用的方法是数字化扫描，如手扶跟踪数字化仪。随着技术的发展，信息共享与自动化数据输入成为地理信息系统研究的重要内容。自动化扫描输入与遥感数据集成最为人们所关注。随着扫描技术的应用与改进，实现扫描数据的自动化编辑与处理仍是地理信息系统数据获取研究的主要技术关键。交互式地图识别是自动化扫描输入方法的一种较为现实的途径。
遥感数据集成是另外一种新型数据采集方式。遥感数据已经成为GIS的重要数据来源，与地图数据不同的是，遥感数据输入到GIS较为容易，但如果通过对遥感图像的解释来采集和编译地理信息则是一件较为困难的事情。因此，GIS中开始大量融入图像处理技术，许多成熟的GIS产品（如MAPGIS）中都具有功能齐全的图像处理子系统。
地理数据采集的另一项主要技术进展是GPS技术在测绘中的应用。GPS可以准确、快速地确定人或物在地球表面的位置，因此，可以利用GPS辅助原始地理信息的采集。
处理与存储
对数据的存储管理是建立地理信息系统数据库的关键步骤，涉及对空间数据和属性数据的组织。
数据处理初步的数据处理主要包括数据格式化、转换和综合。数据的格式化是指不同数据结构的数据间变换，是一项耗时、易错、需要大量计算量的工作；数据转换包括数据格式转换、数据比例尺的变换等，数据比例尺的变换涉及数据比例尺缩放、平移、旋转等方面，其中最为重要的是投影变换；制图综合包括数据平滑和特征集结等。
存储管理GIS中的数据分为栅格数据（X、Y）和矢量数据（经、纬度）两大类，如何在计算机中有效存储和管理这两类数据是GIS的基本问题。栅格模型、矢量模型或栅格/矢量混合模型是常用的空间数据组织方法。空间数据结构的选择在一定程度上决定了系统所能执行的数据与分析功能。在地理数据组织与管理中，最为关键的是如何将空间数据与属性数据融合为一体。
大多数GIS中采用了分层技术，即根据地图的某些特征，把它分成若干层（如道路层、水系层、公共设施层等），整张地图是所有层叠加的结果。在与用户的交互过程中只处理涉及的层，而不是整幅地图，因而能够对用户的要求做出快速反应。
GIS的主要功能之一是管理大量的专业地图，按专题分类将各部门所需的地图合理地组织为空间数据库。几十乃至上百张图按地图网格拼装为一个图层，而每张图层上包括的对象在取舍上有严格的分类标准。按专业含义由粗到细划分为层次状专题分类，每一图层上的空间对象归属于某一专题类，因此常称为专题图层。这些图层与各行业的更为专业的图层相叠置（透明叠放在一起），并进行空间关系分析，可以得出有用的决策信息。
数据库技术是数据存储和管理的支撑技术。在GIS中，数据库具有数据量大、空间数据和属性数据联系紧密，以及空间数据之间具有显著的拓扑结构等特点，因此GIS数据库管理功能，除了与属性数据有关的DBMS功能之外，还需要具备对空间数据的管理。对空间数据的管理主要包括：空间数据库的定义、数据访问和提取、空间检索、数据更新和维护等。
图形显示
GIS来源于地图，也离不开地图。GIS的一个基本功能就是能根据用户的要求，通过对数据的提取和分析，以图形的方式表示结果。当GIS数据被描绘在地图上时，信息就变得容易理解和解释。GIS不只是为了有效地存储、管理、查询和操作地理数据，更重要的是以可视化的形式将数据或经过深加工的地理信息呈现在用户面前，方便地通过图形认识地理空间实体和现象及其相互关系。
地理信息系统为用户提供了许多用于地理数据表现的工具，其形式既可以是计算机屏幕显示，也可以是诸如报告、表格、地图等硬复制图件，尤其要强调的是地理信息系统的地图输出功能。一个好的地理信息系统应能提供一种良好的、交互式的制图环境，以供地理信息系统的使用者能够设计和制作出高质量的地图。
因为地理比例尺对于地理研究的性质具有决定意义，所以需要根据不同的详略程度，允许地图存在多级比例尺数据源。用户对地理环境既需要有宏观上的认识，同时也有观察局部细节微观上的要求。因此，为了能够全面、充分地反映系统所关心区域的空间地理信息，有必要采用多种比例尺共存的方式，以满足GIS的多层次需求。某一地区在某一比例尺条件下的地理资料，不仅代表了在该种比例尺条件下对于该区域地理空间结构的抽象和概括，而且也代表了在该种比例尺条件下对于该区域地理功能的抽象和概括。
多比例尺GIS中空间数据的最大特点是对同一地理实体的数据表达不同。
由于在地理信息系统中的地图数据采取了分层组织管理方法，因而在显示时也可以采取该方法，即同比例尺条件下可以采用多图层方式来表达地理实体。
除了常见的二维平面地图之外，地理信息三维显示也成为地理信息一个重要的表现方式。利用三维显示技术，可以更为直观形象地表现地理环境信息，更容易让用户接受和理解。
查询与分析
对地理空间的查询与分析功能，是GIS得以广泛应用的重要原因之一。通过GIS提供的空间数据查询与分析功能，用户可以从已知的地理数据中得出隐含的重要结论，这对于许多应用领域（例如商业选址、抢险救灾等）是至关重要的。
空间查询空间查询是地理信息系统以及许多其他自动化地理数据处理系统应具备的最基本的分析功能，即可把满足一定条件的空间对象查出，并将其按空间位置绘出，同时列出它们的相关属性等。空间查询是支持综合图形与文字的多种查询的主要方法，它支持由图查图、由图查文和由文查图，并给出新图和有关数据。
GIS通常使用空间数据引擎存储和查询空间数据库。空间数据引擎在用户和异构空间数据库的数据之间提供一个开放的接口，它是一种处于应用程序和数据管理系统之间的中间件技术，空间数据引擎是开放且基于标准的，这些规范和标准包括OGC的Sample Feature SQL Specification、IOS/IEC的SQL3以及SQL多媒体与应用程序包（SQL/MM）等。市场上主要的空间数据引擎产品都是与上述规范高度兼容的。
空间分析空间模型分析是在地理信息系统支持下，分析和解决现实世界中与空间相关的问题，它是地理信息系统应用深化的重要标志。空间分析是地理信息系统的核心功能，也是地理信息系统与其他计算机系统的根本区别，它以空间数据和属性数据为基础，回答真实地理客观世界的有关问题。地理信息系统的空间分析可分为：拓扑分析、方位分析、度量分析、混合分析、栅格分析和地形分析等。
地图制作
GIS是在计算机辅助制图（CAD）基础上发展起来的一门学科，是电子地图（矢量化地图）制作的重要工具。因此，对空间数据进行各种渲染，高效、高性能、高度自动化处理是GIS制作地图的重要特点。采用GIS可以将数据矢量化，从而使与空间有关的各种数据（信息）叠加到电子地图上。
地图制作是将用户查询的结果或是数据分析的结果以文本、图形、多媒体、虚拟现实等形式输出，是GIS问题求解过程的最后一道工序。输出形式通常有两种：在计算机屏幕上显示或通过绘图仪输出。在一些对输出精度要求较高的应用领域，高质量的地图输出功能对GIS是必不可少的。这方面的技术主要包括：数据校正、编辑、图形修饰、误差消除、坐标变换和出版印刷等。
地理信息系统功能遍历数据采集——分析——决策应用全部过程，并能回答和解决以下五类问题：
1、位置：即在某个地方有什么的问题。
2、条件：符合某些条件的实体在哪里。
3、趋势：某个地方发生某个事件，及其随时间的变化过程。
4、模式：某个地方存在的空间实体的分布模式。
5、模拟：某个地方如果具备某种条件会发生什么。
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