اگرچه بیشتر پدیده ها با زمان تغییر می کنند اما مدلسازی پدیده های دنیای واقعی با فرض طبیعت استاتیکی آنها انجام می پذیرد در این حالت gis برای مدلسازی بخشی از دنیای واقعی استفاده می شود و نمایش دنیای واقعی با فرض طبیعت استاتیکی آنها انجام می پذیرد. پدیده های جغرافیائی در gis از ویژگیهای پیچیده ای برخوردار هستند، این پدیده ها اطلاعاتی را درباره ی مکان، توصیف و زمان را شامل می شوند. زمان را می توان با مفاهیم مختلف با توجه به نیاز تعریف نمود با در نظر گرفتن زمان بعنوان یک مولفه ی مستقل می توان جنبه های گوناگونی از gis زمانمند را تعریف کرد. مدل داده روش شرح و ارتباط داده ها بیان می نماید در این بین با اضافه شدن زمان به مدل داده های مکانی و توصیفی تعریف جدیدی تحت عنوان مدل داده های مکان زمانمند مطرح گردیده است. ساده ترین و ابتدائی ترین این مدلها مدل snap shot می باشد که بصورت لحظه ای پدیده ها را نشان می دهد که باعث افزونگی داده و نمایش استاتیکی از پدیده ها می شود. توسعه سایر مدلها تا مدل event based با فرض به حداقل رساندن این ضعف ها یا مشکلات اجرا می گردد. در این روش فرآیندها موجودیت ها و و رویدادها را متصل می کنند و رویدادها باعث تغییر می شوند و آنها برای توصیف اینکه اشیا چطور تغییر می کنند استفاده می شوند. .gis زمانمند با بهره گیری از روش top-down برای مدل سازی پدیده های زمان مکانمند نیاز دارد و می تواند رفتار های پدیده های طبیعی را با حداقل سازی ضعفهای سایر مدلها مورد بررسی قرار دهد.

یکی از مهم ترین قابلیت های موجود در سیستم های اطلاعات مکانی، تحلیل های شبکه می باشد. نیاز کاربران مختلف با زمینه های کاری گوناگون به تحلیل های شبکه در سیستم های اطلاعات مکانی روز به روز گسترده تر و متنوع تر بروز می کند. برای اینکه این سیستم ها بتوانند هر چه بیشتر اعتماد کاربران خود را جلب کنند لازم است که سرعت پاسخگویی و قابلیت های آن ها افزایش یابد. در عموم موارد نظریه گراف مبنای انجام آنالیزهای شبکه درgis می باشد. در بعضی موارد دیده می شود که روشهای حل مبتنی بر گراف برای استفاده و به کارگیری در gis ضعف و مشکلاتی دارند. بعضی از این ضعف ها مربوط به عدم وجود راه حل مناسب و بعضی مربوط به پیچیدگی زیاد و زمان بری اجرای الگوریتم ها و روش های حل می باشد. در این تحقیق با اتخاذ راهبرد تغییر فضای حل مساله بجای تغییر روش حل، به پاسخ دهی مسائل مکانی در گراف ها پرداخته می شود. همانند بسیاری از نظریه های دیگر که در آن ها راه حل هایی بر مبنای فضاهای دوگان ارائه شده در گراف ها نیز چنین فضاهایی تعریف و استفاده شده اند. به این صورت که ابتدا مساله موجود در گراف اولیه را به یک فضای دوگان مناسب برده و پس از حل، نتایج به فضای اولیه برگردانده می شود. در این تحقیق به معرفی انواع دوگان های گراف که تا کنون در علوم مختلف از جمله gis استفاده شده، پرداخته شده و دسته بندی مناسبی بر روی آن ها صورت گرفته است. سپس برای هر نوع دوگان گراف موارد کاربردی آن نیز آورده شده است. در ادامه به معرفی چارچوبی ریاضی بر مبنای دوگان گراف خطی پرداخته شده است که می تواند راه گشای بعضی پیچیدگی ها و مشکلات موجود در مسایل شبکه ها باشد. چارچوب پیشنهادی از طریق کاهش اندازه گراف، پیچیدگی محاسباتی و زمان حل بعضی مسایل شبکه در gis را کاهش می دهد. روش استفاده از چارچوب پیشنهادی برای دو مورد از مسایل مهم و پیچیده شبکه در gis یعنی مساله کوتاه ترین مسیر و دور همیلتونی در شبکه های جهت دار توضیح داده شده است. طبق بررسی به عمل آمده میزان پیچیدگی محاسباتی مساله یافتن کوتاه ترین مسیر با استفاده از چارچوب پیشنهادی در مقایسه با الگوریتم دایجسترا از پیچیدگی پایین تری برخوردار بوده و در مورد مساله یافتن دور همیلتونی میزان پیچیدگی از حالت np در گراف اولیه به چند جمله ای در فضای چارچوب پیشنهادی تقلیل می یابد. همچنین در این تحقیق مطالبی در مورد نحوه استفاده از دوگان گراف در مدلسازی نحوه چرخش در تقاطع، تعمیم بافت آگاه نقشه راه ها، مسیریابی بین مبدا و مقصد غیر نقطه ای و مدلسازی شبکه حمل و نقل آورده شده است.

با توجه به رشد روز افزون جمعیت شهر نشین، مسئله ی مدیریت زمین در شهرها از اهمیت خاصی برخوردار است. در این میان، در نظر گرفتن خاصیت دینامیک بودن محیط شهری با توجه به تغییر نیاز شهروندان از اهمیت خاصی برخوردار است. در حقیقت با نیاز شهروندان به تغییر کاربری ها، بایستی برنامه ریزی فضایی به نحوی صورت پذیرد که همچنان دستیابی به توازن میان اجزای محیط میسر گردد. بنابراین چینش صحیح و مناسب کاربری های مختلف شهری در کنار یکدیگر پس از اعمال تغییر در یک یا چند کاربری، کمک شایانی به مسئله ی مدیریت شهری می نماید. زیرا در صورتیکه کاربری ها به طور علمی و صحیح در کنار یکدیگر قرار گیرند، بسیاری از مسائل مدیریت شهری مانند مزاحمت کاربری ها و ترافیک حل خواهد شد. در طرح های جامع و تفصیلی کاربری اراضی شهری به صورت قطعی تعیین می گردند اگرچه برخی راه کارها برای تغییرات کاربری خاص نیز مطرح می شود ولی توجه علمی به اثر این تغییر در کاربری های دیگر، سبب حفظ توازن میان کاربری های موجود خواهد شد. از آنجائیکه امروزه این مسأله موجب بروز مشکلاتی در مدیریت شهری شده، مبحث طرح های دینامیک شهری مطرح شده است. یکی از مسائلی که طرح های دینامیک و سیال با آن روبرو هستند، تصمیم گیری در مورد نحوه ی قرار گیری کاربری ها در همجواری یکدیگر در صورت تغییر کاربری های دیگر است که این مهم در این تحقیق مورد بررسی قرار می گیرد. هدف اصلی این تحقیق مدلسازی اثرات کالبدی تغییر کاربری های شهری با استفاده از الگوریتم های بهینه سازی و آنالیزهای مکانی است. مدل توسعه داده شده در این تحقیق به منظور نیل به هدف اصلی شامل ارائه ی روشی است که بتوان با استفاده از آن در صورت تغییر کاربری ها، چینش بهینه ی سایر کاربری های منطقه را به دست آورد. در این تحقیق فرآیند مدلسازی با استفاده از پیاده سازی و توسعه ی مجموعه ای از روش ها در محیط سیستم اطلاعات مکانی طراحی شده میسر گردید. دو محله از منطقه ی 7 شهرداری تهران به عنوان منطقه ی مطالعاتی در نظر گرفته شده و به منظور مدلسازی از سه الگوریتم های بهینه سازی چندهدفه ی nsga-ii، mopso و moea/d استفاده شده است. در سازگارسازی این الگوریتم ها با مسئله چهار تابع هدف اصلی به صورت بیشینه سازی سازگاری، بیشینه سازی وابستگی، بیشینه سازی مناسبت کاربری با زمین و بیشینه سازی همسانی کاربری های مجاور تعریف شده است. همچنین به منظور تأمین سرانه ها در سناریوهای تولید شده توسط الگوریتم های به کار گرفته شده، این المان به صورت شرط وارد مدل شده است. در حقیقت مدلسازی با استفاده از روش های بهینه سازی چندمعیاره در محیط gis مدنظر قرار گرفت. با توجه به چندهدفه بودن الگوریتم ها در نهایت تصمیم گیرنده در جبهه ی جواب بهینه با تعداد زیادی جواب مواجه خواهد شد و این مسئله تصمیم گیری را دشوار خواهد کرد. در صورتیکه بتوان پارامترهای فازی زبانی (به عنوان مثال کم، متوسط و زیاد) را در مورد اولویت های توابع هدف از تصمیم گیرنده دریافت کرد و نتایج متناظر با آنها را به تصمیم گیرنده ارائه داد پروسه ی تصمیم گیری راحت تر خواهد شد. به این منظور در این تحقیق، در جهت حمایت از تصمیم گیری و نمایش سناریوهای متناظر با اولویت های تصمیم گیران، از آنالیز خوشه بندی با استفاده از سه روش k-means، fuzzy k-means و الگوریتم کلونی مورچه استفاده شده است. در تست های انجام شده بر روی سه الگوریتم بهینه سازی مشخص شد نتایج از نظر همگرایی، تست پارامترهای اولیه و تست تکرار پذیری قابل قبول می باشند. همچنین در چینش های بهینه ی به دست آمده وضعیت توابع هدف بهتر از وضعیت موجود است. این بهبود به طور متوسط در سه روش به ترتیب در توابع هدف سازگاری، وابستگی، مناسبت کاربری با زمین و همسانی کاربری های مجاور 25، 32، 35 و 6 درصد بوده است. و نیز کمبود سرانه ها به طور متوسط حدود 19درصد جبران شده است. در پایان نتایج با استفاده از سه شاخص فاصله، پراکندگی و کیفیت مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج حاصله نشاندهنده ی کیفیت بهتر جواب های روش nsga-ii، پراکندگی بهتر در جواب های mopso و اجرای سریع تر در moea/d می باشد. نتایج خوشه بندی نیز نشاندهنده ی سرعت بالای روش کلونی مورچه در مقایسه با دو الگوریتم دیگر خوشه بندی است. همچنین نتایج حاصل از سه روش در اکثر موارد با یکدیگر همپوشانی دارند و در موارد اختلاف نیز نقاط نماینده ی خوشه ها به یکدیگر نزدیک هستند. نتایج این تحقیق می تواند به عنوان یک ابزار حمایت از تصمیم گیری به برنامه ریزان و سیاست گذاران شهری در خصوص برنامه ریزی صحیح فضا پس از تغییر یک یا چند کاربری کمک می نماید.