地理信息系统的开发研究分为四个阶段：系统分析、系统设计、系统实施、系统评价及维护。系统分析阶段的需求功能分析、数据结构分析和数据流分析是系统设计的依据。系统分析阶段的工作是要解决“做什么”的问题，它的核心是对地理信息系统进行逻辑分析，解决需求功能的逻辑关系及数据支持系统的结构，以及数据与需求功能之间的关系；系统设计阶段的核心工作是要解决“怎么做”的问题，研究系统由逻辑设计向物理设计的过渡，为系统实施奠定基础。
地理信息系统设计要满足三个基本要求，即加强系统实用性、降低系统开发和应用的成本、提高系统的生命周期。在系统实施和测试过程中，发现软件开发领域内的错误大部分是由于系统设计不周而引起的。
系统设计可分为：地理信息系统设计方法、管理信息系统的设计方法和软件工程的设计方法。所有这些设计都要根据设计原理并采用结构化分析方法。其中最有用的理论是模块理论及其有关的特性，例如内聚性和连通性。所谓结构化就是有组织、有计划和有规律的一种安排。结构比系统分析方法就是利用一般系统工程分析法和有关结构概念，把它们应用于地理信息系统的设计，采用自上而下划分模块，逐步求精的系统分析方法。这种结构化分析和设计的基本思想包括如下要点：
1.在研制地理信息系统的各个阶段都要贯穿系统的观点。首先从总体出发，考虑全局的问题，在保证总体方案正确，接口问题解决的条件下，然后按照自上而下，一层一层地完成系统的研制，这是结构化思想的核心。
2.地理信息系统设计的基本原则是首先进行调查研究，掌握必要的数据，否则就不可能进行系统分析。只有设计出合理的逻辑模型，才有可能很好地进行物理设计。事实上地理信息系统的开发是一个连续有序、循环往复、不断提高的过程，每一个循环就是一个生命周期，要严格划分工作阶段，保证每个阶段任务很好地完成。
3.用结构化的方法构筑地理信息系统的逻辑模型。在系统的逻辑设计中包括分析信息流程，绘制数据流程图；根据数据的规范，编制数据字典；根据概念结构的设计，确定数据文件的逻辑结构；选样系统执行的结构化语言，以及采用控制结构作为地理信息系统的设计工具等。
4.结构化分析和设计还包括系统结构上的变化和功能上的改变，以及面向用户的观点等。