GIS中数据分析与数据模型密切相关。矢量和栅格是两种基本的数据模型，每种都有它自己的一系列分析功能。常见的矢量分析功能包括缓冲区分析、地图叠加、距离量算和地图操作。栅格数据分析可在单个单元格、单元格集合或整个格网中的单元格等不同水平上进行。根据计算水平的不同，栅格数据操作通常分成局域、邻域、分区和全局操作。虽然一些GIS概念如地图叠加和缓冲区分析，对于矢量和栅格数据都是一样的，但操作步骤却不相同。
GIS中数据分析与数据模型密切相关。矢量和栅格是两种基本的数据模型，每种都有它自己的一系列分析功能。常见的矢量分析功能包括缓冲区分析、地图叠加、距离量算和地图操作。栅格数据分析可在单个单元格、单元格集合或整个格网中的单元格等不同水平上进行。根据计算水平的不同，栅格数据操作通常分成局域、邻域、分区和全局操作。虽然一些GIS概念如地图叠加和缓冲区分析，对于矢量和栅格数据都是一样的，但操作步骤却不相同。
对于地形的制图和分析而言矢量和栅格数据的差别并不重要，因为两种类型的数据都可以用。栅格数据用于表现地表时效果极为理想，并且栅格数据结构很适合地形分析所要求的大数据量计算。然而，矢量数据如代表地形变化的高程点、等高线、河流与道路等，对地形的制图和分析也是很重要的数据源，而且，TIN在地形分析中是一个基本的数据模型。
几百年来，地形一直是地图制图和分析的对象。制图技术例如等高线、剖面图、晕渲法、分层设色和透视法已被用于刻画地表形态。地表的量算例如坡度、坡向和表面曲率也已发展成熟。这些地表量算的方法在森林清查、土壤侵蚀、野生生物栖息地适宜性、立地条件分析和许多其他领域的研究中十分重要。地形分析还包括通视分析（确定从一个观测点可见到的地标范围）和流域分析（确定流向、流域边界和水系）。
对GIS用户而言，波状起伏、连绵不断的地表形态是一种很熟悉的空间要素。在GIS应用中用到的一些其他表面可能无实体呈现，但可以用表示地表的方法使之可视化。制图者称这些表面为统计面，如降水量、温度、水位和人口密度。对统计面的研究工作多集中在发展空间差值方法上。
空间差值值用已知值的控制点来估算其他点的数值的过程。例如，对气象站点已知的温度记录进行插值，能估算出其他没有气象站点地区的长期的七月平均温度。GIS通常将空间差值用于格网（栅格数据）并估算格网中所有单元格的值，因此空间差值是一种将点数据转成面数据的方法。像地形分析一样，空间插值将矢量和栅格数据结合在了一起。
空间插值的方法可分为全局和局域等。全局方法用已有的所有控制点估算未知值。趋势面分析和回归模型是两个著名的全局方法。局域方法用控制点的一组样本来进行估算。GIS应用中经常用到的局域方法有泰森多边形法、密度估算、反距离权重、薄板样条和克里金。
较高水平的矢量数据提供附加的分析功能，简单的点、线和多边形不可能具有这些功能。因为在一个综合多变行图层中，区域可以相互叠置和占据相同范围，区域可以由独立的专题图层构成，这些专题图层都有自己的属性。因此一个综合图层是专题地图的集合，能选用不同指标进行查询。用这种方法，区域数据模型允许叠加（在ARC/INFO中最多允许32个图层叠加）使属性数据结合在一起，而用单一操作来进行属性数据查询。每个区域图层都代表了一个空间比例尺，区域数据模型也能提供框架，用于分析空间比例尺对生态系统的影响，还可用于街区组、人口普查片和县等不同等级的人口普查数据的研究。
网络是由连线构成的图层，用于表示诸如交通等物流的相应属性。最短路径分析是基于网络的分析，其目的在于找出通过网络上的点的时间或距离的最小累积成本路径。其他与网络有关的分析包括配置（allocation）,它研究资源的空间分布，还有定位与配置（location-allocation），它研究供求的空间分布。
动态分段网络和线型量算系统（如里程标志系统）结合起来形成高级对象。因为运筹规划者和工程师用线型量算来解决诸如事故位置、时速限制、交通量和道路状况等事件，动态分段可使这些事件与道路网络链接起来进行分析。
