地球這么大，如何確定測量原點呢？對于規則的球體來說，沒有比幾何球心更好的原點了，可地球不是個“正經”的球啊，它的球心在哪呢？
 

參心坐標系的原點與某一地區或國家所采用的參考橢球中心重合，與其所在地區的大地水準面最佳擬合，屬于局部坐標系統。在當時的科學發展水平上，局部大地坐標系已能基本滿足各國大地測量和制圖工作的要求。比如我國的北京54、西安80 都是應用于我國范圍內的參心坐標系。

 

但是為了研究地球形狀的整體及其外部重力場以及地球動力現象；特別是50年代末，人造地球衛星和遠程彈道武器出現后，為了描述它們在空間的位置和運動，以及表示其地面發射站和跟蹤站的位置，這些需要從全球范圍考慮定位問題時，參心坐標系已經不能滿足需求。

 

這就好比你在小區遛狗，如果問你狗在哪呢？你可以說狗在小池塘東面5米處；某天你家傻狗不滿足只在小區里玩耍了，非要跑到十幾里地外的公園里耍，這時再問你狗在哪呢？你總不能說狗在小區池塘西面5千米處，不合適啊！

既然在全球范圍下，參心坐標系已經不合適了，考慮到衛星和彈道武器的空間位置定位地球引力問題，此時地球質心自然出現在人們視野中。地心坐標系是在大地體系內建立的OXYZ坐標系，與參心坐標系不同的是它的坐標原點 O 變成大地體的質量中心，即地球質心。質心的測算是個復雜的工程，它不僅為確定地球表面、大氣以及空間位置的相對運動提供了參考系，也對人們研究海平面變化、地震、火山以及冰川消退對地球的影響至關重要。

 

耳熟能詳的 WGS84 、CGCS2000 坐標系就是地心坐標系，WGS84 是為GPS全球定位系統使用而建立的坐標系統，也是如今很多互聯網地圖采用的坐標系統；CGCS2000 是在北京54、西安80這兩種局部坐標系不能滿足中國經濟建設和國防建設需要時建立的全球坐標系。

我們常看到新聞報導說東經多少度，北緯多少度發生地震，這里面所說的經緯度就屬于地理坐標系統。地球表面南北距離的度數，以赤道為 0°，以北為北緯，以南為南緯，南北各 90°。通過某地的緯線跟赤道相距的度數，就是該地的緯度，如下圖 ∠POP'；把通過英國格林尼治天文臺原址的子午線定為 0°，叫做本初子午線。以東 180° 為東經，以西 180° 為西經。某地的經度值即該地的子午線和本初子午線相距的度數，如下圖 ∠XOP'。

由上圖可以看出，橢球體和水準面決定了坐標系類型。北京54和西安80屬于參心坐標系。北京54采用的是克拉索夫斯基橢球體，西安80采用的是IAG75橢球體，由于采用了不同的橢球體，相同坐標所代表的位置是有差距的。

 

WGS84 和 CGCS2000 屬于地心坐標系。WGS84 采用的橢球體是WGS84 橢球體，CGCS2000 采用的橢球體是 CGCS2000 橢球體。地球只有一個質心，只是測不測得精確的問題而已，因此 CGCS2000 橢球和WGS84 橢球極為相似，偏差僅有 0.11mm，完全可以兼容使用。

 

地理坐標系統中經緯度本身不帶單位，度分秒僅僅是一個進制；另外，同樣是1度經度，在不同的緯度帶表示的弧段長是不一樣的，這給面積計算，定量計算等帶來困難；我們日常生活中的地圖及量測空間通常是二維平面，因此在地圖制圖和線性量測時首先要考慮把曲面轉化為平面，投影坐標系統就是鑒于這些問題而被科學家提出。

 

地圖投影的實質就是建立地球橢球表面上的點與地圖平面上的點之間的對應關系，將建立在球體上的地理坐標系下的經緯度坐標，通過一種投影方法轉為平面上的直角坐標。可見，投影坐標系 = 地理坐標系 + 投影方式。

 

投影肯定會有變形，所以為了最大化的減少變形產生的誤差，不同的應用場景和應用區域采用的投影方式也不同，我們常見的投影類型有：高斯克呂格（Gauss Kruger）投影、墨卡托（Mercator）投影和蘭伯特（Lambert）投影等，下一篇文章會詳細介紹這些常用投影方式。

 

根據坐標系的使用區域范圍劃分出了參心坐標系和地心坐標系，如果只考慮在小范圍比如只在一個國家內使用，且對定位精度有較高的要求，就應該采用參心坐標系；相反，如果使用場景涉及全球范圍，比如衛星定位，就需要采用地心坐標系，除非這個衛星只限制在本國使用或者說不考慮其他區域的定位精度，這顯然不現實。地理坐標系是指用經緯度來確定地物位置的坐標系統，它可能屬于地心坐標系，或者是參心坐標系，這由它的應用范圍決定；投影坐標系是為了量測、制圖產生的一種坐標系，是地理坐標系結合一種合適的投影方式形成的一種具有應用特色的坐標系統。

本文作者：碼上GIS