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GIS数据模型的设计，是在对于地理知识的演绎和归纳基础之上， 形成反映地理系统本质的形式化的地理信息的组织和表达模式。
1.地理知识、地理信息、地理数据
地理知识是有关地理现象以及地理过程发展规律的正确认识的集合。 地理信息是地理知识的一种， 它强调对于地理知识的规范化及其结构化的描述形式，因此， 它是具有一定形式的信息结构。地理数据是地理信息的数字化载体， 只有建立在某种数据模型基础上的地理数据集， 才能够表达地理信息和地理知识，才具有地理分析的意义。
2.地理信息的构成和信息结构
地理信息是对地理实体特征的描述，地理实体特征一般分为四类： ①空间特征，描述地理实体空间位置、空间分布及空间相对位置关系； ②属性特征，描述地理实体的物理属性和地理意义； ③关系特征，描述地理实体之间所有的地理关系， 包括对空间关系、分类关系、隶属关系等基本关系的描述， 也包括对由基本地理关系所构成的复杂地理关系的描述； ④动态特征，描述地理实体的动态变化特征。 地理信息对这些特征的描述，是以一定信息结构为基础的。 一个合理的信息结构中的各个信息项应当具有明确的数据类型定义， 它不但能全面反映上述地理实体的四类特征， 而且还能够很容易地被影射到一定的数据模型之中。 一般地，设计出反映地理实体某项信息的信息结构并不困难； 难度较大，而且也更为主要的是设计一个能够全面反映地理现实的信息模型。
由于对地理信息的描述是以数据为基础的， 因此关于数据本身的一些描述信息，例如，关于数据质量、 数据获取期、数据获取的机构等，由于它们也间接地描述了地理实体， 也成为了地理倍息的组成之一。这一类信息在GIS领域一般称为元数据信息。