空间数据描述的是现实世界各种现象的三大基本特征: 空间、时间和专题属性。对于GIS来说， 时间和专题特征常常被视为非空间属性。 近年来对时间特征的研究越来越受到重视。 特征值可通过观测或对观测值处理与运算来得到， 例如在某一选定点位可获得重力测量值这一专题特征， 而该点的重力异常值则是计算出来的专题特征。下面对这三种特征进行分述。
空间特征指空间物体的位置、形状和大小等几何特征， 以及与相邻物体的拓扑关系。 位置和拓扑特征是地理或空间信息系统所独有的， 空间位置可以由不同的坐标系统来描述， 如经纬度坐标、一些标准的地图投影坐标或是任意的直角坐标等。 GIS的作用之一就是进行各种不同坐标系统坐标间的相互转换。
人类对空间目标的定位一般不是通过记忆其空间坐标， 而是确定某一目标与其他更熟悉的目标间的空间位置关系， 而这种关系往往也是拓扑关系。如一个学校是在哪两条路之间， 或是靠近哪个道路叉口，一块农田离哪户农家或哪条路较近等等。 通过这类空间描述，可在很大程度上确定某一目标的位置，而一串纯粹的地
理坐标对人的认识来说几乎没有意义。 有几个人记得自己家或办公室的确切坐标？ 又有几个人对着坐标去上班？而对以计算机处理为主的GIS来说， 最直接、最简单的空间定位方法是使用坐标， 而拓扑关系则需要在空间坐标的基础上通过计算来建立。 这类算法已很普遍，如在Burrough、 黄杏元和汤勤等的书中均有介绍。 而对于如何从人类对空间、 拓扑的文字描述中自动产生空间坐标这一过程则很少在GIS中实现， 或许这将成为未来实用GIS的一个功能。
专题特征指的是除了时间和空间特征以外的空间现象的其他特征， 如地形的坡度、坡向、某地的年降雨量、土壤酸碱度、 土地覆盖类型、人口密度、交通流量、空气污染程度等。 这类特征在其他类型的信息系统中均可存储和处理。 对于这类特征的空间表示方法在传统的地图制图学中有详细的阐述。 目前GIS中对专题特征的输出方法大多沿用传统的专题制图方法， 如分级（层）设色法和符号法等。
严格来说， 空间数据总是在某一特定时间或时间段内采集得到或计算产生的。 由于有些空间数据随时间变化相对较慢， 因而有时被忽略。在很多场合，时间可以被看成一个专题特征。 这对于大多数地理信息软件来说是可以做到的。 但如何有效地利用时间在GIS中进行索引和时空分析目前仍处于研究阶段。