地理信息科学，顾名思义，与地理信息系统相比，它更加侧重于将地理信息视作为一门科学，而不仅仅是一个技术实现，主要研究在应用计算机技术对地理信息进行处理、存储、提取以及管理和分析过程中提出的一系列基本问题。
随着以地理信息系统技术为核心的遥感、全球定位系统等技术的发展以及其间的相互渗透，逐渐形成了3S集成化技术系统，为解决区域范围更广，复杂性更高的现代地学问题提供了新的分析方法和技术保证。七十年代以来，由于整个人类社会面临的人口、资源、环境和发展等各方面的问题，逐渐开始重视全球变化，以及可持续发展等方面的研究，这两个方面的推动，最终促成了地球信息科学的产生。 地球信息科学以信息流的手段研究地球系统内部的物质流、能量流和人流的运动状态和方式，它由三部分组成，“地球信息学”是其理论 研究的主体，“地球信息技术”是其研究手段，“全球变化和区域可持续发展”是其主要应用领域。
地理信息科学有三大部分：个人、系统以及社会。其中个人部分包括认知科学、环境心理学、语言学等；系统部分包括计算机科学、信息科学等；社会部分包括经济学、社会学、社会心理学、地理学、政治学等。
在这个领域上，国内外启动了很多项目，影响很大，好多理论研究都顺着这个项目设立的方向在做。其中包括空间数据获取与集成、分布式计算、地理表达扩展、地理信息认知、地理信息互操作、尺度、GIS环境下的空间分析、空间信息基础设施的未来、地理数据不确定性与基于GIS的分析、GIS与社会。
从虚拟现实这个角度来看，GIS发展和计算机技术发展和后来到网络的发展，一直到数字地球的发展，是紧密相关的。林珲教授说GIS包括空间数据库、空间分析、可视化三大功能，后来把模型库和虚拟环境加进来，还包括一个网络支撑环境。从地图到地理信息系统与虚拟地理环境，是地理学语言的演变，
回头从GIS来看，它的发展主要有三个阶段：第一个阶段是GIS作为地理学者的研究助手；第二个阶段GIS作为交流工具；第三个阶段，GIS作为扩展人类感觉地理现实的手段，这个阶段才刚刚浮现。 武汉大学朱庆教授总结了GIS技术的发展动态，认为GIS向多维、动态、一体化方向发展；GIS系统体系结构向开放式、网络化、信息栅格发展；软件实现向组件化、中间件、智能体方向发展；空间信息技术和通信进一步融合；数据获取向“3S集成”方向发展，尤其是Sensor Web的发展；数据存储管理向分布式存储及其互操作方向发展；数据处理向移动计算、普适计算和语义网方向发展；人机交互向自然的虚拟环境方向发展等。
将GIS技术放进地理信息科学这门科学当中，其应用领域，主要有以下几种方向。
第一是地理认知、地理信息本体论以及概念格。这个领域目前比较热，地理认知研究很早，它和认知心理学、地理思维、地图认知、地理行为学密切相关。地理信息本体论，主要是讨论各个专业应用领域概念与语义的相互关系、以及层次性与一致性等，相关研究涉及语义互联网、地理信息系统之间的语义互操作、知识级地理信息共享与知识重用、以及地球科学中的语义建模等。在地理信息本体研究中，概念格是一个前沿研究方向，涉及概念的内涵与外延等。
第二是面向“人”，面向社会的GIS发展。关于人文地理方面的领域，亦是一个值得发掘的方向。
第三是地学模拟、情景决策支持分析。地学模拟方法近年来越来越受到学界的关注。相关研究包括基于多智能体的SARS传播模拟分析等。 第四是时空过程表达、时空数据模型、时空分析。例如，水环境污染时空模型，滑坡过程时空模型，洪水演进过程模型，风暴过程模型等。随着“数字海洋”的发展，海洋现象动态变化过程时空表达与模型。 第五是网络环境下的分布式三维可视化、虚拟环境与数字地球。Google Earth体现了这方面的工作与最新成就。中科院遥感所的虚拟地理环境研究团队近年来一直在探讨这个问题。另外，数字地球带来的全球GIS的发展。
第六是协同地理信息系统。过去GIS是单用户的，为一个人设计使用的，但是现在是很多人同时用一个GIS系统。协同GIS就是一组人在GIS支持下一起解决一个地理问题。协同GIS，与＂GIS和社会＂以及PPGIS都有关系。
第七是移动地理信息系统，移动地理计算。基于手机的GIS，用户很广，其产业以及相关GIS服务理念影响很大； 第八是数据挖掘与知识发现。美国9.11以后，特别成立国家可视化分析中心，专门发展视觉分析学，分析各种各样数据，目前这个方向在可视化领域里是个热点。
第九是网络技术发展与网格GIS。国家“十一五”８６３将要重点发展的领域。
第十是遥感信技术与GIS分析。宫鹏提出的“声像一体化湿地连续遥感监测技术:平台建设试验”，以及香港中文大学的关于基于声音遥感图像的应用，都是关于声音遥感的新探索。
目前的地理信息科学与技术，虽然已是地理科学中方法与技术体系中重要组成部分，但是对于现代地理科学的核心新概念、新基本理论与原理等的形成与发展贡献却是不足的。需要把地理信息科学与实验科学（实验地理学、实验遥感）结合起来发展。
然后，在关于海量遥感数据智能处理、数据挖掘与知识发现（RS+GIS+空间分析等）的领域上。遥感和GIS的结合是密切相关的，目前有很多的传感器，很多的数据产生以后，怎么能从中发现异常的东西，如何能很有快的反应和决策，需要遥感和GIS的密切结合，才能产生实用价值，才能促进促进空间信息技术的广泛应用。
三维地物结构模拟与虚拟地理环境密切相关。关于遥感定量模拟与虚拟地理生态环境。由DEM模拟SAR实验，多角度遥感和三维地表与地物结构密切相关的。
最后，不得不提到的是基于天空地网络一体化的研究实验平台与地理信息科学的关系。马蔼乃教授认为天地信息一体化网络系统是地理信息科学的核心；孙九林院士等提出基于地球空间信息技术的陆地表层系统科学方法论框架；龚建华等发展基于天地人机关系的虚拟地理环境研究实验平台。
国家中长期科学与技术发展规划纲要（2006━2020年）中，与地理信息科学与技术相关部分包括：传感器网络及智能信息处理，城市信息平台，国家公共安全应急信息平台，虚拟现实技术，脑科学与认知科学(地理空间认知），科学实验与观测方法、技术和设备的创新，支撑信息技术发展的科学基础，加强科技基础条件平台建设，建立科技基础条件平台的共享机制。
空间信息技术国家需求，主要包括国家可持续发展的资源基础与国情，国家生态环境安全与灾害防御，卫生健康与公共安全，空间信息产业等。
