地理信息系统以数字世界表示自然世界，具有完备的空间特性，可以存储和处理大量地理数据，并具有极强的空间系统综合分析能力。因此，地理信息系统不仅要完成管理大量复杂的地理数据的任务，更为重要的是完成地理分析、评价、预测和辅助决策的任务，这就必须发展适用于地理信息系统的地理分析模型，这是地理信息系统走向实用的关键。
所谓模型，就是将系统的各个要素，通过适当的筛选，用一定的表现规则描写出来的简明的映象。模型通常表达了某个系统的发展过程或发展结果。
地学模型是用来描述地理系统各个要素之间相互关系和客观规律的，它用信息的、语言的、数学的或其它表达形式，通常反映地学过程及其发展趋势或结果。数学模型是应用数学的语言和工具，对部分现实世界的信息（现象、数据）加以翻译、归纳的产物，它源于现实，又高于现实。数学模型经过演绎、推导，给出数学上的分析、预报、决策或控制，再经过解释回到现实世界。最后，这些分析、预报、决策或控制必须经受实际的检验，完成实践—理论—实践这一循环。
地学模型，是在对系统所描述的具体对象与过程，进行大量专业研究的基础上，总结出来的客观规律的抽象或模拟。因此，这种模型的发展不仅是建立GIS应用系统的主要内容之一，而且也是决定该系统解决实际问题的能力、效率和最终取得实际效益的关键所在，已受到人们日益广泛的关注和重视。由于各种应用系统的服务对象、解决的问题以及它们的复杂程度有很大差异，故其所用模型也各不相同。为此强调和注意各种GIS应用系统及其数学模型的个性具有十分重要的意义。现将数学模型在应用系统中的作用、特点及它们的分类叙述如下：
一、模型的作用和特点
在GIS应用系统中，数学模型起着十分重要的作用：
1.应用模型是联系GIS应用系统与常规专业研究的纽带：模型的建立虽然是数学或技术性的问题，但它必须以广泛、深入的专业研究为基础。专业研究的深入程度决定了所建模型的质量与效果。从这种意义上讲，模型把GIS应用系统和常规专业研究紧紧地联系在一起了。
2.应用模型是综合利用GIS应用系统中大量数据的工具：在系统中存储有数量巨大、来源不同、形式不同的数据。它们的综合分析处理和应用，主要是通过系统中模型的使用而实现的。因此，系统中数据使用的效率和深度，在很大程度上取决于模型的数量和质量。
3.应用模型是GIS应用系统解决各种实际问题的武器：由于应用模型是客观世界中解决各种实际问题所依赖的规律或过程的抽象或模拟。因此能有效地帮助人们从各种因素之间找出其因果关系或者联系，促进问题的解决。但是由于许多问题十分复杂，完全靠定量方法很难圆满解决，所以系统还要给人为干预留下较大的余地，使定性方法也能发挥一定作用。
4.应用模型是GIS应用系统向更高技术水平发展的基础：大量模型的发展和应用，实际上集中和验证了该应用领域中许多专家的经验和知识，无疑是一般GIS应用系统向专家系统发展的基础。
在GIS应用系统中，大多数应用数学模型具有综合性、空间性以及动态性的特点，反映了它们在多种数据综合应用以及对各种空间及动态问题等的处理和求解能力。
二、模型的分类
系统中应用模型可根据模型的空间特性分为两大类，即空间模型和非空间模型。然后再根据具体模型建立与求解方法，作进一步的分类，如图4－2所示。由于空间和非空间两类模型在运算方式、所用数据、结果形式以及管理方法等方面均有较大差别，所以把它们分开对系统设计及模型管理会有许多方便之处。
对于非空间模型而言，它们主要是对系统中的各种属性数据进行运算，常用的方法包括投入产出模型、计量经济学、经济控制论及系统动力学等。与这些方法相应的模型形式、特点、局限性以及主要应用范围见表4—1。这类模型多用于解决社会经济领域中的一些问题，如评价、预测与规划等，但也可用于生态环境及自然资源等领域。