从表面上看，地理信息系统是由计算机硬件和软件组成的系统，其内涵在于它要管理大量复杂的空间数据。
一、地理信息系统的应用模式
随着计算机网络，多媒体技术的发展，经历了20多年发展历程的的地理信息系统已进入社会GIS的阶段，地理信息系统的应用不断向纵向和横向发展。综观各种应用类型，大致分3种模式：
1．面向最广大用户的桌面地理信息系统
地理信息系统是一个功能强大，性能完善的计算机应用系统，可广泛用于具有空间位置特性数据的各行业。但它对计算机硬软件要求高，使用时操作复杂，系统价格高昂，专业水平要求高。因此，过去地理信息系统只能在一些特定的领域及特定的用户群中使用，不能被广大普通用户所接受。近几年来，随着计算机的普及，考虑到大量用户群不需要专业地理信息系统所具有的强大的分析功能，而更多的重视信息的可视化分析，从而出现了面向最广大用户的桌面地理信息系统(Desktop Geographic Information System)。由于在现代化社会中大量数据具有地理属性，桌面地理信息系统的应用将渗透到各行各业，可以说只要具有地理属性数据的信息系统均可用桌面地理信息系统来进行管理。
桌面地理信息系统的特点：
·以PC机为平台，价格低廉、操作方便、便于普及；
·具有强大的数据兼容性，支持多种流行的图形，图象数据和商业数据库；
·支持数字化仪，可直接生成矢量图，并具有基本的分析功能；
·提供日常办公所需的电子表格管理、商业统计、及专题图制作功能；
·提供面向对象的开发语言，用户不需特殊的编程技巧便可建立界面。
目前桌面地理信息系统正在向Internet／Intranet、向开放式标准软件开发工具和空间和属性数据相统一的数据库管理方向发展，这使它能在更宽的范围和更深的层次上被广大用户所接收。
桌面地图信息系统(Desktop Map Information System)是通过地图显示来帮助辩认空间信息的。在地图上可显示各种地理要素，如把表格查询结果定位在地图上或从地图上提取位置表格信息等。严格的说桌面地图系统无专业地理信息系统的分析功能，属于更初级地理信息系统。但很多情况下，人们在使用桌面地理信息系统和桌面地图信息系统时并不严格区分。
目前国外著名的桌面地理信息系统由美国MapInfo公司的MapInfo Professional；美国ESRI公司的Arcview；Autdesk公司的World；Intergraph公司的GeoMedia及Caliper公司的Maptitude等。
2．面向部门内的部门级地理信息系统
部门级地理信息系统是应用在一个部门的地理信息系统，即专业地理信息系统。从地理信息系统发展历史看，部门级地理信息系统是最先进入实用领域的地理信息系统，也就是传统的地理信息系统。目前，国内地理信息系统应用主要在部门级地理信息系统这一层次上。
部门地理信息系统的特点：
·数据结构集矢量和栅格数据于一身，使其具有宽广的应用领域；
·强有力的数据输入和数据转换功能，支持程序间的相互通讯及相互调用；
·具有空间叠置分析，缓冲区分析，线状网络分析及DTM模型等重要的分析功能。
目前国外著名的部门级地理信息系统如美国ESRI公司的ARC／INFO、Intergraph公司的MGE、德国Siemens公司的SICAD等。
3．面向部门间的企业级地理信息系统
一些国家级信息系统如大型城市规划、土地利用、环境保护、自然灾害处理、公共事业处理常涉及到许多部门，甚至要求几百个用户共享一个地理信息系统。这时常常要求各个部门在不同的地点录入并维护不同类型的信息，完成不同的分析。这种要求不同部门协同工作的复杂地理信息系统称企业级地理信息系统(Enterprise GIS)。在这类地理信息系统中，除了部门级地理信息系统的技术外，其核心是网络通信及分布式计算。
企业级地理信息系统的特点：
·分布式网络环境的Web操作是它的主要特点。企业级地理信息系统既需各部门高效地管理各自的数据，又要求共享各部门的资源，所以必需是分布式的；
·高低挡系统共存 在多部门运行环境中，不同用户以不同方式和水平，使用不同级别的系统；
·开放系统 企业级地理信息系统要兼容来自其它系统的软件功能，因此系统必须能融合其它硬软件功能；
·多用户的数据变更管理 以确保数据的一致性控制；
·无缝的连续空间数据库 以适应连续的地理环境。
企业级地理信息系统要在数据共性的基础上实现在线查询及处理等。目前国外著名的企业级地理信息系统如美国ESRI公司的SDE(Spatial Database Engine)和Arcview结合组成的系统。其中SDE是基于客户机／服务器数据库结构的空间数据库管理软件，以支持大型空间数据库管理并能在网络环境中对多用户并发访问进行快速响应。Arcview是企业级地理信息系统的客户端产品，它价格低廉，操作方便。
二、地理信息系统的应用模型
从专业应用角度看，地理信息系统最重要的是要实现对空间数据的分析、评价、预测和辅助决策。因此发展应用分析模型是地理信息系统走向实用化的关键，国内外学术界投入了大量精力，从事这方面的研究，其研究成果大大拓宽了地理信息系统的专业应用范围。
1．按模型结构分类可分为数学模型(又称理论模型)、统计模型(包括一些经验模型)以及概念模型(又称逻辑模型)
(1)数学模型。由常数、参数、变量和函数关系组成的表达式来反映地理过程本质的物理规律，如DTM模型、土壤侵蚀模型等。
(2)统计模型。通过数理统计方法，用大量观测实验得到的数据，用定量方法建立模型，模拟过程的规律。这类模型简单实用，在地理信息系统应用模型中占有一定比例，如回归方程、聚类分析等等。
(3)概念模型。由实践中总结归纳提炼得到的文字性描述形成知识库，通过专家系统推理机来求解问题。其中最简单的情况可直接用文字加逻辑运算符组成的逻辑表达式来描述。
2．按数据类型分类可分成非空间数据模型(属性数据模型)和空间数据模型
(1)非空间数据模型。把地理信息系统中属性数据作为显式数据源，空间数据作为隐式数据来分析区域中的社会、经济及生态问题，进行区域的评价、预测、规划等，从而采用常规非空间数据模型解决空间问题。
(2)空间数据模型。同时使用属性数据和图形数据组成模型。因此，从理论上和方法上同空间数据结构有关联，这类模型是地理信息系统研究的重点，如数字地形复合模型等等。
3．从系统的角度看分为系统提供的模型和二次开发模型(用户开发模型)
(1)系统提供的模型。地理信息系统商品为用户提供的应用模型，它们是由系统设计者在分析地理信息系统的特点及应用后，为用户提供的通用性模型，如逻辑检索模型，DTM模型等等。
(2)二次开发模型。地理信息系统的用户自行开发的分析模型。随着地理信息系统应用面日益拓宽，系统设计者不可能为用户提供各种专业应用模型，作为一个有生命力的地理信息系统软件，通常为用户提供二次开发接口，使用户可根据自己专业特点，开发用户模型，解决专业问题。
用户开发模型又分为内部模型和外部模型：
(1)内部模型。通过地理信息系统提供的工具(如宏语言)开发的应用模型，这种模型能充分利用地理信息系统本身具有的资源。
(2)外部模型。通过直接或间接调用地理信息系统中空间数据库来建立的用户模型，其中采用直接调用方式开发的模型可同地理信息系统共享数据库。而采用间接调用方式开发的模型只能通过中间文件同空间数据库相联系。
三、地理信息系统的应用领域
1．地理信息系统在资源环境管理中的应用
地理信息系统最早应用在资源环境管理中，目前它已经广泛用于资源环境如森林、矿产、水利及农牧业等的管理；自然资源调查如林业、地质矿藏、水资源等的调查；自然灾害如水旱灾害、虫灾、震灾等的监测、预报、评估；环境保护如水土流失、荒漠化治理等方面。
2．地理信息系统在城市规划管理中的应用
随着经济的发展及城市规模的不断扩大，城市建设部门间的关系日益复杂，城市空间信息急剧增加，传统的方法已显得力不从心，客观上要求将空间信息和属性信息统一进行存储和管理，从而出现了地理信息系统的一个重要分支即城市地理信息系统UGIS(Urban Geographic Information System)作为城市现代管理、规划和科学决策的先进工具。如城市地籍管理、城市市政规划管理、城市公安消防管理、城市地下管线管理等等。
3．地理信息系统在政府宏观决策中的应用
由于在政府宏观决策中85％的信息与空间信息密切相关，作为分析处理空间信息的地理信息系统已成为政府宏观决策中不可缺少的工具。地理信息系统在政府宏观决策中的应用是国家管理决策信息化的重要标志之一。如我国的国务院综合国情地理信息系统已成为国务院领导宏观决策的辅助工具。
4．地理信息系统在企业管理中的应用
企业级地理信息系统是目前地理信息系统向上发展的趋向，也是Intranet网上重要内容。随着Internet／Intranet的迅速发展，企业级地理信息系统的出现，在现代企业管理中将越来越重要。从而出现了Enterprise GIS、Intranet GIS，以完成Intranet上的信息发布，数据共享及在交流协作基础上实现GIS的业务处理，在线查询等功能。
5．地理信息系统在军事中的应用
在军事行动及军事指挥中，任何战役和战略战术都是在一定的地理环境中进行的，因此出现了以地理信息系统为依托的地理信息系统的又一分支即军事地理信息系统MGIS(Military Geographic Information System)。在美国和西方各国，MGIS在作战指挥如作战的快速保证中起了相当重要的作用。
6．地理信息系统在商业等领域中的应用
地理信息系统在商业领域中的应用是商业现代化的产物，它可以广泛用于销售网络的确定、产品供应的调控、目标市场选择等市场营销辅助决策等工作中。
上面所涉及的地理信息系统的应用领域只是代表性领域，实际上它已用到了社会的方方面面，从而形成了地理信息系统的产业，并将成为面向21世纪的支柱产业——信息产业的主要组成部分得到迅速发展。