空间数据的概念模型是人们基于对现实世界的认识，对特定的地理环境进行抽象和综合表达，使其既容易为人所理解，又便于计算机实现的语义模型。

地球表面上的各种地理现象和物体错综复杂，用不同的方法或从不同的角度对地理空间进行认知和抽象，可能产生不同的概念模型。许多方法局限于某一范围或反映地理空间的某一侧面，因此，概念模型只能体现地理空间的某一方面。

根据GIS 数据组织和处理方式，目前地理空间数据的概念模型主要有对象模型、场模型、网络模型、时空模型和多维模型等。

       图所示为最常用的概念模型。建筑物、树木等设施（图a）可以用对象模型表达；地形（图b）、污染物扩散等可以采用场模型表达；道路（图c）、管道等通常以网络模型表达。车的轨迹（图d）、高频次的监测数据可以用时空模型表达。

对象数据模型简称对象模型，也称作要素模型，它将研究的整个地理空间看成一个空域，地理现象和空间实体作为独立的对象分布在该空域中。对象模型强调地理空间中的单个地理现象。任何现象，不论大小，只要能从概念上与其相邻的其他现象分离开来，都可以被确定为一个对象。对象模型一般适合于对具有明确边界的地理现象进行抽象建模，如建筑物、道路、公共设施和管理区域等人文现象以及湖泊、 河流、岛屿和森林等自然现象，因为这些现象可被看作是离散的单个地理对象。而按照其空间特征可分为点、线、面、体４种基本对象。

对象模型把地理现象当作空间要素或空间实体。一个空间要素必须同时符合可被标识、在观察中的重要程度、有明确的特征且可被描述这三个条件。实体可按空间、时间和非空间属性以及与其他要素在空间、时间和语义上的关系来描述。例如，在下图中，现实世界中的城市所包含的空间要素类型众多，但是，采用对象数据模型进行建模时，只对认为重要的、并可被标识的部分要素进行建模，建模过程中，也是选取每个对象的主要特征进行表达。道路可以用线要素表达；建筑物可以用面要素表达，树木和路灯等实体则可以使用点要素表达。如果需要，建筑物还可能采用体要素表达。然而，这并不意味着建筑物只能用面或体要素表达，如在导航电子地图中，建筑物可能以兴趣点的形式进行表达并用于空间定位。

场数据模型简称场模型，也称作域模型，它是把地理空间中的现象作为连续的变量或体来看待，如大气污染程度、地表温度、土壤湿度、地形高度以及大面积空气和水域的流速和方向等。

根据不同的应用，场可以表现为二维或三维。一个二维场就是在二维空间中任意给定的一个空间位置上，都有一个表现某现象的属性值，即A＝f(x，y)。一个三维场是在三维空间中任意给定一个空间位置上，都对应一个属性值，即A＝f(x，y，z)。一些现象如大气污染的空间分布本质上是三维的，但为了便于表达和分析，往往采用二维空间来表示。

由于连续变化的空间现象难以观察，在研究实际问题中，往往在有限时空范围内获取足够高精度的样点观测值来表征场的变化。在不考虑时间变化时，二维空间场一般采用以下6种具体的场数据模型来描述：

第一种方式是采用规则分布的点（b），这种方式是在平面区域布设数目有限、间隔固定且规则排列的样点，每个点都对应一个属性值，其他位置的属性值通过线性内插方法求得。

第二种方式是采用不规则分布的点，这种方式是在平面区域根据需要自由选定样点，每个点都对应一个属性值，其他任意位置的属性值通过克里金内插、距离倒数加权内插等空间内插方法求得。

第三种方式是采用规则矩形区，这种方式将平面区域划分为规则的、间距相等的矩形区域，每个矩形区域称作格网单元（grid cell）。每个格网单元对应一个属性值，而忽略格网单元内部属性的细节变化。

第四种方式是采用不规则多边形区,这种方式将平面区域划分为简单连通的多边形区域，每个多边形区域的边界由一组点所定义；每个多边形区域对应一个属性常量值，而忽略区域内部属性的细节变化。

第五种方式是采用不规则三角形区，这种方式将平面区域划分为简单连通三角形区域，三角形的顶点由样点定义，且每个顶点对应一个属性值；三角形区域内部任意位置的属性值通过线性内插函数得到。

最后一种方式是采用等值线，这种方式用一组等值线将平面区域划分成若干个区域。每条等值线对应一个属性值，两条等值线中间区域任意位置的属性是这两条等值线的连续插值。

网络数据模型简称网络模型，它与对象模型的某些方面相同，都是描述不连续的地理现象，不同之处在于它需要考虑通过路径相互连接多个地理现象之间的连通情况。网络是由欧式空间中的若干点及它们之间相互连接的线（段）构成，亦即在地理空间中，通过无数“通道”互相连接的一组地理空间位置。

现实世界许多地理事物和现象可以构成网络，如公路、铁路、通信线路、 管道、自然界中的物质流、能量流和信息流等，都可以表示成相应的点之间的连线，由此构成现实世界中多种多样的地理网络。

由于网络是由一系列节点和环链组成的，从本质上看与对象模型没有本质的区别。按照基于对象的观点，网络模型也可以看成对象模型的一个特例，它是由点对象和线对象之间的拓扑空间关系构成的。因此，也可将网络模型归于对象数据模型中。但是，从地理现象的概念模型的模型功能视角出发，对象模型强调离散地理实体的表达，场模型强调连续地理现象的表达，而网络模型则强调地理对象之间的交互作用。

基于网络数据模型，可以解决路径选择、设施布局优化、资源分配、空间相互作用和引力分析等问题。结合复杂网络的引力模型，可用于理解某点或区域的人流、物流和资金流的流动，典型的问题如：人们总是选择距离较近、交通较为便捷的商场去购物，但可能更愿意去较远地方的著名医院去看病就医。

现实世界中几乎所有对象都会在一定的时间尺度上发生变化,随着时空数据采集技术的不断提升，尤其是大数据技术的发展，可获取空间数据的时间特征越来越容易，时空数据模型的表达、管理和分析方法已经成为GIS领域的研究热点。

时空数据模型简称时空模型，主要用于表达地理现象或实体的特征或相互关系随时间变化的动态过程和静态结果。在时空数据模型中，空间、时间和属性构成了地理现象或对象的三个基本要素。常用的表达形式有序列快照、时空立方体和时空棱柱等。

时空棱柱的时空制约模型又是时间地理学的重要分析工具，它是对具有时空特征的行为轨迹定量化表达的典型方法。在此模型中，活动个体的活动数量和空间位置受到多种因素的制约，例如，在24 小时的时间内，晚上休息的时间和白天工作的时间具有一定的稳定性和周期性。实际上，休息和工作的地点也是相对固定的，如果以xy 轴作为二维空间，z 轴作为时间，则一条随时间轴持续向上延伸，随不同的活动行为在二维空间游离的时空路径便能够形象地表达行为个体的时空行为。下图分别用虚线和实线构建个体在工作日和周末的日常生活时空路径，及对应的时空棱柱模型。

基于时空棱柱的时空数据模型仅对随时间移动的地理对象的时空路径进行表达，因此，它属于离散型时空数据模型。与之对应的时空立方体模型是以三维的欧几里德空间为基础，以xy轴为二维空间，采用z轴表示时间维度（T轴），并以指定边长的立方体作为最小划分单元，立方体在xy方向上的长度作为二维空间的单位距离，立方体在T轴方向上的长度表示单位时间，单位时间可以是用户自定义的任何时间单位，如1年、1天或1小时等。

由于以z轴为时间轴的时空立方体模型被所有的单位立方体所占据，这意味着在任何位置的任何时间，都可以找到与之对应的单位立方体。因此，它属于连续型时空数据模型。

时空数据模型最大的优点在于能够同时处理空间维度和时间维度，从而实现数据的历史状态重建、时空变化跟踪及发展态势预测等功能，随着时空大数据的可获取性越来越强，更是将时空数据模型的研究与应用推向了一个新的阶段。

多维数据模型一般指数据维度多于两个维度的三维数据模型或更多维度的数据模型。地理信息系统中的多维数据模型通常用于表达某种地理现象或实体的属性或相互关系在特定的区域内不仅随着时间变化，而且其变化还随着其它属性变化而发生改变的问题。例如，在特定区域内，随时间变化的温度可以使用三维模型构建，如下图。

但如果温度随着时间和海拔高度两个变量发生变化，则需要使用更多维度的模型进行表达，如果用xy 表示二维空间，h 表达高程，t 表示时间，则温度的表达式为：Tem=F（x, y, h, t），这就需要构建四维模型来表达。

对象模型、场模型、网络模型、时空模型和多维模型是GIS 中最常用的概念模型。然而，从GIS 概念模型的发展历程和本质特征出发，对象观点和场观点构成了地理学家用地图思考世界的基本观点，因此对象模型和场模型是GIS 中两种最基本的概念数据模型。对于一个空间应用来说，到底采用对象模型还是场模型进行空间建模，则主要取决于应用要求和习惯。对于现状不定的现象，例如火灾、洪水和危险物泄漏，当然采用边界不固定的场模型进行建模。场模型通常用于具有连续空间变化趋势的现象，如海拔、温度、土壤变化等。其实在遥感领域，主要利用卫星和飞机上的传感器收集地表数据，此时场模型是占主导地位的。对象模型一般用于具有明确边界和独立地理现象的建模，如道路、地块的征税和使用权等方面的建模。