2.真三维数据模型及数据结构的研究
目前的GIS都能处理好二维的平面空间信息，一些软件也能较好地以独立方式处理好高程信息（如建立[）EM），可以实现独立的三维显示和部分地形分析功能，这些功能的实现，通常采用二维或二维半来表示三维现象，其处理方式通常是将高程值当作一个属性值来处理。这种二维或二维半数据结构难以真正表达三维空间数据所附加的全部信息。例如，一些重要的地质构造（如断层处），在某固定位置会有不同的高程值，用二维或二维半表示，就不能真正地反映出这种地质构造。近些年来，计算机的发展使显示和描述物体的三维几何特征和属性特征成为可能，因此真三维数据结构成为目前GIS研究中的一个热点。
3.时态GIS数据结构和数据模型的研究
空间、时间和属性是表征地理实体的三个不同方面，对任意实体的完整描述都必须由它们共同来完成。目前的GIS都只能对客观地理实体某一时刻的状态进行静态描述，不能反映出地理实体随时间变化的时变信息，而实际的应用（如地籍中的宗地历史档案管理）又需要反映出地理实体随时间变化的时变信息，这就促使GIS领域对时态GIS数据结构和数据模型进行研究。
4.多源数据的融合研究
现代空间技术的发展日新月异，发展迅速，人们比以往任何时期都更加容易地获取到有关地球的各种信息，GPS技术、RS技术、CCD技术以及雷达成像技术等已广泛应用于全球问题（如温室效应、厄尔尼诺现象、全球气象等）的解决中，这些新技术的出现和应用为GIS提供了丰富的数据源和数据更新手段，如何利用这些丰富的数据资源，如何发挥各项技术的优势，做到优势互补，以及如何将这些数据源有机地结合起来并融为一体将是未来GIS理论研究中所必须解决的一个重要课题。
5.空间数据共享研究
传统的GIs软件，不同的软件有着各自不同的空间数据组织模型，出于保护自身知识产权等因素的考虑，其数据组织方式和文件格式一般是不公开的，这样，不同软件之间的数据就无法互相利用，形成了一个个大大小小的信息孤岛。随着GIS应用由以系统为中心向以数据为中心的转变，人们开始重视并开始研究不同系统间的数据无损转换以及数据的互操作等问题，并出现了OpenGIS这样的抽象规范。但要实现真正意义上的数据共享，必须研究并制定可行的元数据标准和统一的抽象数据类型定义规范，研究多粒度地理信息系统软件对象的划分和对象组合原则、检索机制、确定抽象数据类型集合及其层次结构。研究并制定地理信息系统之间的通信协议集，包括数据请求协议、数据传输协议和功能请求协议等。只有解决了这些问题，才可能真正实现空间数据的共享和互操作（方裕，2001）。
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