3.2 計算
3.2.1 定性空間推理 作為廣義意義上的計算，空間關係與空間位置的推理是人工智慧領域重要的研究主題，也是gi科學中的重要領域。空間關係的認知模型與語言模型顯然涉及諸如接觸、包容這樣的定性拓撲原理。對於空間對象不相交的空間關係，可用距離和方向等來表征;空間對象接觸或疊置時，空間關係可用在點集理論基礎之上拓展的多種相交圖式來表達。
3.2.2 計算幾何學 計算幾何學是地理空間對象和關係定量表達的基礎，幾何問題的計算與求解是早期的計算機機助製圖學和gis中的重要內容。歐氏幾何學不可能在一個精確度限定的數字環境內，以一種直接的方式實施幾何計算;線形簡化和地圖綜合的很多問題，有賴於gi科學中的計算幾何學，儘管這些問題也與比例尺的尺度問題相關;至於一些與鄰近性相關的計算幾何問題，可在voronoi算法、泰森(thiessen)多邊形或鄰近(proximal)多邊形等概念框架下進行處理，它們共同構築了地理信息科學中幾何計算的理論與套用構架。
3.2.3 空間資料庫中的有效變址、檢索與搜尋 多維資料的有效變址是計算機科學中一個重要的研究問題。2維、2·5維、3維地理信息構成的空間資料庫，變址問題頗為重要。早期gis中所使用的morton矩陣方法，圖形、圖像處理中的四叉樹、八叉樹、b—樹，r—樹和k—樹等規律表達，為變址、檢索、搜尋等複雜問題的有效解決提供了基礎。
3.2.4 空間統計學 空間統計學是與地理信息科學具有密切聯繫的重要研究領域。空間信息的特殊性體現於空間自相關或空間相依性的無處不在。空間統計學為研究與處理空間自相關提供了有用的統計方法，如空間自相關的測度和以空間單位資料為基礎進行統計分析時空間自相關作用的控制方法等。空間統計學也是gis數據質量與控制研究的有用工具。當然，作為具有相對獨立性的空間統計學，與地理信息科學的其它領域相對分離。
3.2.5 地理計算 地理計算是gi科學的重要組成部分，像用於基於柵格的空間分析綜合概念框架的地圖代數，已不再是在空間信息不同表達方式基礎之上實施的標準gis運算，本質上它是一種在相近性和局部運算基礎上將地學計算問題概念化的不同方法，或許需在並行計算環境下才可以有效運行。高性能計算支持下的分形城市、細胞自動機、基於主體的城市演化模擬等地理計算新發展，正在構成gi科學的科學計算與模擬的新學科領域，成為新世紀gi科學的研究與開發套用熱點。
3.3 認知
3.3.1 地理對象認知模型 認知模型涉及人類對地理現象的感知、代寫碩士論文學習、記憶、推理和通信的完整過程。人類對地理環境認知過程的研究，作為一種獲取對空間關係、地理本體論的認識，理解與改進gis的人機相互作用的方法而成為gi科學的重要研究主題。包括研究地理科學領域認知問題在內的整個人類空間認知問題研究，是gi科學有關領域研究的基礎。在瓦倫紐斯項目實施期間，ncgia有一批知名學者對地理空間公共意義上概念的公式化表達和地理現象的認知模型等作出了重要貢獻。
3.3.2 人類與地理信息和技術的相互作用 地理信息系統包括界面設計和公眾參與在內的人機相互作用問題研究是gi科學研究體系的一部分，它的重要性一方面取決於gis的可套用性與公眾參與問題是否可以被分解成一般意義上的人機相互作用問題，這裡涉及gi科學的對象理念與工程技術設計;另一方面也取決於地理對象的認知與概念問題。有一點可以肯定，gis工具與gi科學將大大拓展人類認知世界的能力與水平。
3.4 套用、組織與社會
3.4.1 地理資料獲取 對地理空間位置與屬性的理論、信息、資料等的測度與套用研究構成了gis研究的主體。gi科學的建立與構成必須以測繪科學理論(坐標系統、地球形態測度表達等)為基礎，而系統一旦確定與建立，它就為地理世界的概念化、地理客觀世界的表達與轉化提供了最直接的解釋基礎。當今最為先進的遙感遙測技術與gps定位技術，成為gi科學所研究與使用的所有地理資料和信息獲取的最為有效與最為先進的技術手段，它們能保證資料的實時、多源、多尺度特點，成為gi科學研究的基礎。資料獲取手段與技術的使用與研究，成為gi科學學科體系的重要組成。
3.4.2 地理信息的質量 地理信息的質量、精度與誤差研究是gi科學研究的重要部分。可能由於在資料獲取時期的各種測度誤差，或由於在gis資料處理過程中的各種變換誤差的導入而降低資料質量。如果認知、實體論或表達方式不確切，說明與解釋也有可能發生誤差。資料質量的影響必須在模型靈敏度、擬合置信度等框架內首先作出確切評定，以保證gis套用系統與gi科學的準確與有效。