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GIS的空间分析功能源于透明薄膜图的叠置处理，以实现数据的组合和综合。 在GIS中我们输入地形图、水系图、土地利用图、公路图等专题地图信息， 既可以就某项专题信息进行处理， 也可以将两幅或多幅图的信息叠置起来进行综合的分析和处理， 这一功能的实现是建立在公共的地理基础之上的。
由于数据的来源有多种，原始数据的形式多种多样，有的是统计数据， 有的是图件或图像数据，还有的是文字资料。为了让计算机能够接受， 必须按一定的格式分级分类，图形数字化，文字代码化。 在数字化的基础上实行标准化，标准化也是实现系统通用化和信息共享的重要要求。
通常GIS主要是研究地球表层的若干个要素的空间分布，属于三维空间。 一般经常将数字髙程模型称为三维空间。 如果加上时间坐标的GIS称为四维GIS或者动态GIS。
GIS主要是通过空间实体的空间位置与空间关系来进行处理的， 当然也可以通过它们的属性。新近提出的5维结构，即空间（X、Y、Z）三维， 时间（T）作为第4维，属性（A）作为第5维，这是对多维结构的全面而完整的表达。
GIS具有明显的动态变化特征，这种动态变化按时间尺度可分为超短期的， 比如森林火灾、台风；短期的，比如洪水、季相；中期的，比如土地利用， 森林植被覆盖；长期的，比如水土流失，城市化；超长期的，比如地壳变形等。 GIS的时序特征，一方面要求数据及时、定期更新。 另一方面积累这种变化过程，以便于预测预报和科学决策。
在不同的数据层中，GIS具有以下的能力，其中包括：可进行空间操作， 我们知道许多被应用的软件包，如统计软件SAS、 绘图软件CAD等也能处理简单的地理空间数据，但是只有GIS具有数据的空间操作能力， 如空间査询、空间叠加等。此外，GIS可进行数据连接，可将不同的数据集进行匹配连接。
1.GIS并不是一个简单的仅能用于制图的计算机系统， 虽然它也能以不同的比例尺、不同的投影形式、不同的颜色绘制并输出地图。 但GIS最主要的是一个分析工具， 它最主要的功能在于可在不同的特征之间确定它们的空间关联。 GIS不是存贮传统概念上的一幅地图所描述的所有地图要素， 也不是存贮一幅特殊的影像图或地理现状图。 与此不同，GIS所存贮的数据是由在需要考察的区域内满足某一专业目的而产生的一些数据层。 GIS连接的是一幅地图上所具有特殊性的地理信息的数据， 这些信息是被存贮用来表述地理属性或特点。 例如，一条公路由中心线来描述，但在这一情况下， 这条路除一条线段外不会给你了解更多的关于这条路的信息， 因此为了获得更多的关于这条路的信息， 你可以从数据库中查询到有关这条路的类型、宽度。 然后你可以根据所需要显示的信息类型生成一幅特定符号表示的道路图。 当然，GIS也能用你现在已经存贮好的属性数据来计算出关于某一地图特征的新信息。 例如计算某一特定道路的长度，或者确定某种土壤类型的总面积等等。
2.GIS并不拥有地图或图像，它们拥有的是数据库。 而数据库是GIS的灵魂， 并且还是GIS与其它一些只能生成好看的图形输出的计算机绘图系统的主要区别。 可以这样说，所有现代的GIS都与一个数据管理系统结合在一起。