地理信息系统的设计需要进行大量仔细的调查工作和准备工作，其中包括了解和掌握有关部门已作了些什么，有什么文献可供参考等。了解这些情况是为了评估现有系统的性能及这些系统是否适合应用部门要完成的任务等。在获取大量可供使用的资料后，在明确系统目标的基础上，从系统观点出发，对地理事物进行分析和综合，确立地理信息系统建立的过程（图7-1）。现将整个过程分成几个主要步骤加以说明。
一、可行性研究
可行性研究主要是进行大量的现状调查，在调查的基础上论证GIS的自动化程度、涉及的技术范围、投资数量以及可能收到的效益等。经过论证后确定系统的目的任务及GIS的起始点，从这个起始点出发，逐步向未来的目标发展。重点不应只是目前的计算机化，还应着眼于将来如何发展。
这一阶段的工作主要包括：
1.用户需求调查。是指调查本部门或其它有关部门对相应GIS系统的信息需求情况。从上至下调查本部门各级机构在目前和将来发展业务上需要些什么信息；从下自上调查他们完成本部门专业活动所需要的数据和所采用的处理手段，以及为改善本部门工作进行了哪些实践活动等。还要收集他们对本部门的业务活动实现现代化的设想与建议。
2.系统目的和任务。一般来讲，地理信息系统应具有四个方面的任务：①空间信息管理与制图；②空间指标量算；③空间分析与综合评价；④空间过程模拟。
3.数据源调查和评估。调查了解用户需求的信息后，有关专家和技术人员应进一步掌握数据情况。分析研究什么样的数据能变换成所需要的信息，这些数据中哪些已经收集齐全，哪些不全，然后对现有数据形式、精度、流通程度等作进一步分析，并确定它们的可用性和所缺数据的收集方法等。
4.评价地理信息系统的年处理工作量、数据库结构和大小、GIS的服务范围、输出形式和质量等。
5.系统的支持状况。部门管理者、工作人员对建立GIS的支持情况；人力状况包括有多少人力可用于GIS系统，其中有多少人员需培训等；财力支持情况包括组织部门所能给予的当前的投资额及将来维护GIS的逐年投资额等。
根据上述调查结果确定GIS的可行性及GIS的结构形式和规模，估算建立GIS所需投资和人员编制等。可行性分析就是根据社会、经济和技术条件，确定系统开发的必要性和可能性，主要进行①效益分析；②经费估算；③进度预测；④技术水平的支持能力；⑤有关部门的支持程度等。
二、系统设计
系统设计的任务是将系统分析阶段提出的逻辑模型转化为相应的物理模型，其设计的内容随系统的目标、数据的性质和系统的不同而有很大的差异。一般而言，首先应根据系统研制的目标，确定系统必须具备的空间操作功能，称为功能设计；其次是数据分类和编码，完成空间数据的存储和管理，称为数据设计；最后是系统的建模和产品的输出，称为应用设计。
系统设计是地理信息系统整个研制工作的核心。不但要完成逻辑模型所规定的任务，而且要使所设计的系统达到优化。所谓优化，就是选择最优方案，使地理信息系统具有运行效率高、控制性能好和可变性强等特点。要提高系统的运行效率，一般要尽量避免中间文件的建立，减少文件扫描的遍数，并尽量采用优化的数据处理算法。为增强系统的控制能力，要拟定对数字和字符出错时的校验方法；在使用数据文件时，要设置口令，防止数据泄密和被非法修改，保证只能通过特定的通道存取数据。为了提高系统的可变性，最有效的方法是采用模块化的方法，即先将整个系统看成一个模块，然后按功能逐步分解为若干个第一层模块、第二层模块等等。一个模块只执行一种功能，一个功能只用一个模块来实现，这样设计出来的系统才能做到可变性好和具有生命力。
功能设计又称为系统的总体设计，它们的主要任务是根据系统研制的目标来规划系统的规模和确定系统的各个组成部分，并说明它们在整个系统中的作用与相互关系，以及确定系统的硬件配置；规定系统采用的合适技术规范，以保证系统总体目标的实现。因此系统设计包括①数据库设计；②硬件配置与选购；③软件设计等。