空間數據庫的設計是指在現有數據庫管理系統的基礎上建立空間數據庫的全過程。主要包括三個部分:需求分析、結構設計和數據層設計。
1，需求分析
需求分析是整個空間數據庫設計和建立的基礎，主要開展以下工作:
1)調查用戶需求:
了解用戶的特點和需求，取得設計者和用戶對需求的壹致看法。
2)需求數據的收集和分析:
包括信息要求(信息內容、特征、要存儲的數據)、信息處理要求(如響應時間)、完整性和安全性要求等。
3)編制用戶需求說明書:
包括目標、任務、具體要求、系統功能和性能、運行環境等。，是需求分析的最終結果。
需求分析是壹項技術性很強的工作，應該由有經驗的專業技術人員來完成，用戶的積極參與也很重要。
在需求分析階段，完成數據源的選擇和各種數據集的評估
2.結構設計
是指空間數據結構的設計，其結果是壹個合理的空間數據模型，這是空間數據庫設計的關鍵。空間數據模型越能反映現實世界，在此基礎上生成的應用系統就越能滿足用戶對數據處理的要求。
空間數據庫設計的本質是將地理空間實體以壹定的組織形式表達在數據庫系統中的過程，即地理信息系統中空間實體的建模。
1)概念設計
概念設計是通過對復雜現實世界的理解和抽象，形成空間數據庫系統及其應用系統所需的模型。
具體來說，就是對需求分析階段收集的信息和數據進行分析和整理，確定地理實體、屬性及其關系，將每個用戶的局部視圖組合成壹個總的全局視圖，形成壹個獨立於計算機的反映用戶視圖的概念模型。概念模式與具體的DBMS無關，結構穩定，能更好地反映用戶的信息需求。
表達概念模型最有力的工具是E-R模型，即實體-關系模型，它包括實體、關系和屬性三個基本組件。用它來描述真實的地理世界，不需要考慮信息的存儲結構、訪問路徑和訪問效率等計算機相關問題。與壹般的數據模型相比，它更接近真實的地理世界，具有直觀、自然、語義豐富的特點。它已被廣泛應用於地理數據庫的設計中。
2)邏輯設計
在概念設計的基礎上，根據不同的轉換規則，導出將概念模型轉換為特定DBMS支持的數據模型的過程，即特定DBMS可以處理的地理數據庫的邏輯結構(或外部模式)，包括確定數據項、記錄與記錄之間的關系、安全性、完整性和壹致性約束。導出的邏輯結構是否與概念模型壹致，能否滿足用戶的要求，其功能和性能都要進行評估和優化。
從E-R模型轉換到關系模型的主要過程如下:
(1)確定每個實體的主要關鍵詞；
(2)確定並寫出實體內部屬性之間的數據關系表達式，即壹個數據項確定另壹個數據項；
(3)將冗余消除後的數據關系表達式中的實體作為對應的主關鍵字。
④根據②和③形成新的關系。
⑤轉化後，分析、評估、優化。
3)物理設計
物理設計是指在物理存儲上有效實現空間數據庫的邏輯結構，確定數據在介質上的物理存儲結構，結果是導出地理數據庫的存儲模式(內部模式)。主要內容包括確定記錄存儲格式、選擇文件存儲結構、確定訪問路徑和分配存儲空間。
物理設計的質量將極大地影響地理數據庫的性能。好的物理存儲結構必須滿足兩個條件:壹是地理數據占用存儲空間小；第二，數據庫的操作具有最高的處理速度。物理設計完成後，應進行性能分析和測試。
數據的物理表示分為兩類:數值數據和字符數據。數字數據可以用十進制或二進制表示。通常二進制形式占用較少的存儲空間。字符數據可以用字符串來表示，有時可以用代碼值的存儲來代替字符串的存儲。為了節省存儲空間，經常使用數據壓縮技術。
物理設計在很大程度上與所選的數據庫管理系統有關。在設計中，應根據需要選擇系統提供的功能。
4)數據層設計
大多數GIS根據邏輯類型將數據組織到不同的數據層中。數據層是GIS中的壹個重要概念。GIS的數據可以根據空間數據的邏輯關系或專業屬性劃分成各種邏輯數據層或專業數據層，原理上類似於圖片的疊加。例如，地形圖數據可以分為地貌、水系、道路、植被、控制點、居民區等圖層進行存儲。地形圖的數據是通過疊加圖層來合並的。在空間分析、數據處理和圖形顯示中，往往只需要幾個對應圖層的數據。
數據層的設計壹般根據數據的專業內容和類型來進行。數據的專業內容類型通常是數據分層的主要依據，同時也要考慮數據之間的關系。如果需要考慮兩種對象共有的邊界(道路與行政邊界的重合，河流與陸地邊界的重合)，這些數據之間的關系要在數據分層設計中體現出來。
由於不同類型的數據具有相同的應用功能，在分析和應用中往往同時使用，所以設計中要體現這種需求，即這些數據可以作為壹個層來使用。比如多邊形的湖泊、水庫、線形的河流、溝渠、點井、泉水等。在GIS的應用中經常同時使用，所以它們可以作為壹個數據層使用。
5)數據字典設計
數據字典用於描述數據庫的總體結構、數據內容和定義。數據字典的內容包括:1)數據庫的總體組織結構和數據庫總體設計的框架。2)各數據層詳細內容的定義和結構以及數據命名的定義。3)元數據(與數據相關的數據是對壹個數據集的內容、質量條件和運行過程的描述)。