Il modello dei dati deve essere il più semplice possibile ma al contempo flessibile: deve poter «rappresentare» tutti gli oggetti che esistono nel mondo fisico (punti, linee, superficie, volumi, quote, etc) e in grado di elaborare le loro combinazioni. Non è sufficiente una rappresentazione «geometrica» degli oggetti à è necessario mantenere e rappresentare anche le informazioni che riguardano le relazioni spaziali tra gli oggetti (adiacenza, inclusioni, sovrapposizioni, etc.) ovvero la loro topologia. (oltre a geometria e topologia) Il modello dei dati deve poter associare «dati descrittivi» (attributi).
Una tale struttura viene effettivamente implementata nei maggiori software GIS attuali à database relazionali con elementi geo-referenziati.
Caratteristica fondamentale di un GIS è la sua capacità di geo-referenziare i dati; ad ogni elemento vengono associate le sue coordinate spaziali reali. Le coordinate di un oggetto non sono memorizzate relativamente ad un sistema di riferimento arbitrario ma sono memorizzate secondo le coordinate del sistema di riferimento in cui realmente è situato l'oggetto (latitudine, longitudine, etc).
Il dato viene memorizzato con scala 1:1 à è il software che si occupa della visualizzazione.
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