1.空間參考：
為了能夠正確地描述要素的位置和形狀序厉，需要引入一個用于定義位置的框架，也就是空間參考毕箍〕诜浚空間參考用于存儲各類要素坐標屬性的坐標系系統(tǒng)，借此描述一個要素的真實位置而柑。
1.1 坐標系統(tǒng)
坐標系統(tǒng)是一個二維或者三維的參照系文捶，用于定位坐標點，通過坐標系統(tǒng)可以確定要素在地球上的真實位置媒咳。常用的坐標系主要是以下兩種：大地坐標系和投影坐標系粹排。1.2 坐標域
坐標域是一個要素中坐標的允許取值范圍。
2.大地坐標系：
因為地球表面是高低不平涩澡、極其復雜的顽耳，因此這樣一個復雜的表面沒辦法用一個數(shù)學公式來表示。但是地球表面的高差相對于地球半徑來說是很小的妙同，因此我們抽象了一個盡可能與地球表面相吻合的形狀射富，然后通過此形狀來描述要素的真實位置。
為了得到與地球表面很好吻合的一個抽象形狀粥帚，需要進行以下抽象過程胰耗。
- 2.1 大地水準面
大地水準面是地球表面的第一步抽象。
假設當海水處于完全靜止的平衡狀態(tài)時芒涡，從海平面延伸到所有大陸下部宪郊，而與地球重力方向處處正交的一個連續(xù)、閉合的曲面拖陆，這就是大地水準面弛槐。
- 2.2 橢球體
大地水準面可以近似成一個規(guī)則橢球體，但并不是完全規(guī)則依啰。因此根據(jù)大地水準面抽象出一個可以用數(shù)學公式表達的乎串、形狀接近地球形狀的規(guī)則橢球體，這個橢球體就被稱為地球橢球體。
它是地球的第二步抽象叹誉。
橢球體包括下面三要素：
長半徑a——即赤道半徑鸯两；
短半徑b——即極半徑；
橢球體的扁率f——f=(a-b)/a长豁，表示橢球體的扁平程度钧唐。
下面是一些常見的橢球體的要素參數(shù)：
| 橢球體名稱 | 年代 | 長半徑（米） | 短半徑（米） | 扁率 |
|---|---|---|---|---|
| 海福特（美國，Hayford） | 1910 | 6378388 | 6356912 | 1:297 |
| 克拉索夫斯基（前蘇聯(lián)匠襟，Krasovsky） | 1940 | 6378245 | 6356863 | 1:298.3 |
| 1975年國際橢球 | 1975 | 6378140 | 6356755 | 1:298.257 |
| 1980年國際橢球 | 1979 | 6378137 | 6356752 | 1:298.257 |
- 2.3 大地基準
橢球體僅定義了地球的形狀钝侠，卻沒有描述與地球之間的位置關系。通過調(diào)整橢球體的位置酸舍，使之能擬合地球表面帅韧，這種與地球相對定位的橢球體稱為大地基準。
大地基準描述了橢球體與地球地心之間的關系啃勉，根據(jù)與地心關系的不同忽舟，可以分為下面兩種大地基準面：
| 基準面名稱 | 備注 |
|---|---|
| 地心基準面（Geocentric datums） | 使用衛(wèi)星采集數(shù)據(jù)得到，使用地球的質(zhì)心作為橢球體中心淮阐，WGS84就屬于此類型 |
| 本地基準面（Local datums） | 特定區(qū)域內(nèi)與地球表面溫和叮阅，橢球體與大地水準面相切的點，稱為大地起算點泣特。大地起算點的坐標值是固定的浩姥，其他點的坐標值都可以由該店計算得到。據(jù)此群扶，每個國家或地區(qū)均可以設置各自的大地基準面 |
從上表中可以看到大地基準面是在橢球體的基礎上建立的及刻，一個橢球體可以定義不同的大地基準面镀裤，因此橢球體與大地基準面之間是1對多的關系竞阐。
- 2.4大地坐標系（地理坐標系）
大地基準確定之后，就可以確定大地坐標系暑劝，并劃分經(jīng)線和緯線骆莹，從而形成以經(jīng)緯度為單位的大地坐標系。
根據(jù)基準面的選擇担猛，可以分為如下兩種坐標系統(tǒng)：
| 坐標系名稱 | 備注 | 常用坐標系舉例 |
|---|---|---|
| 參心大地坐標系 | 指經(jīng)過定位與定向之后幕垦，橢球體的中心不與地球質(zhì)心重合，而是接近地球質(zhì)心傅联。也稱為區(qū)域性大地坐標系先改。 | Beijing54、Xian80 |
| 地心大地坐標系 | 指經(jīng)過定位與定向之后蒸走，橢球體與地球質(zhì)心重合仇奶。 | WGS84、CGCS2000 |
3.投影坐標系：
大地坐標系以經(jīng)緯度為單位比驻，是一個不可展的曲面该溯。但是現(xiàn)實中往往需要在坐標系上進行距離岛抄、面積的測量，這個時候就需要將坐標系統(tǒng)從曲面變換為平面狈茉，并將坐標值單位從度轉(zhuǎn)換為長度單位（例如米）夫椭，才是經(jīng)過變換得到的平面的、以長度為單位的坐標系統(tǒng)就被稱為投影坐標系氯庆。
投影坐標系是最后的結(jié)果蹭秋，中間進行投影變化的過程和方法不同，最后得到的投影坐標系也不同点晴。因此一個地理坐標系可以對應多個投影坐標系感凤，但是一個投影坐標系只能對應一個地理坐標系。
- 3.1 投影方法
（1）粒督、按投影面類型劃分：
圓錐投影——投影面為圓錐陪竿；
橫圓柱投影——投影面為橫圓柱；
方位投影——投影面為平面屠橄，
（2）族跛、按投影面與地球位置關系劃分：
正軸投影——投影面中心軸與地軸相互重合；
斜軸投影——投影面中心軸與地軸斜向相交锐墙；
橫軸投影——投影面中心軸與地軸相互垂直
相切投影——投影面與橢球體相切礁哄；
相割投影——投影面與橢球體相割。
（3）溪北、按變形性質(zhì)劃分：
等角投影——角度變形為零（Mercator）桐绒；
等積投影——面積變形為零（Albers）；
任意投影——長度之拨、角度和面積都存在變形茉继；
（其中，各種變形相互聯(lián)系又相互影響：等積與等角互斥蚀乔，等積投影角度變化大烁竭，等角投影面積變化大。）
- 3.2 常見投影方法
（1）墨卡托投影（等角正圓柱投影）：
該方法投影之后面積變形顯著吉挣，在緯度60°地區(qū)經(jīng)線和緯線比擴大了2倍派撕，面積比實際擴大了4倍誓军。在緯度80°附近奶赔，經(jīng)線和緯線比擴大了近6倍，面積比實際擴大了33倍音念。
百度和谷歌地圖采用的投影方式都是墨卡托投影氯哮。
墨卡托投影有如下特點：
1）际跪、沒有角度變形，由每一點向各方向的長度比相等；
2）垫卤、經(jīng)緯線都是平行直線威彰，且相交成直角；經(jīng)線間隔相等穴肘，緯線間隔從基準緯線處向兩極逐漸增大歇盼。
3）、長度和面積變形明顯评抚，但基準緯線處無變形豹缀，變形從基準緯線處向兩極變形逐漸增大，但因為它具有各個方向均等擴大的特性慨代，保持了方向和相互位置關系的正確邢笙。
在地圖上保持方向和角度的正確是墨卡托投影的優(yōu)點，墨卡托投影地圖常用作航海圖和航空圖侍匙，如果循著墨卡托投影圖上兩點間的直線航行氮惯，方向不變可以一直到達目的地，因此它對船艦在航行中定位想暗、確定航向都具有有利條件妇汗，給航海者帶來很大方便。百度地圖和Google Maps使用的投影方法都是墨卡托投影说莫。
（2）高斯-克呂格投影（橫軸等角切橢圓柱投影）：
高斯-克呂格投影是由德國數(shù)學家杨箭、物理學家、天文學家高斯于19世紀20年代擬定储狭，后經(jīng)德國大地測量學家克呂格于1912年對投影公式加以補充互婿，故稱為高斯-克呂格投影，又名"等角橫切橢圓柱投影”辽狈。
該方法假想有一個橢圓柱面橫套在地球橢球體外面慈参，并與某一條子午線（此子午線稱為中央子午線或軸子午線）相切，橢圓柱的中心軸通過橢球體中心稻艰，然后用一定投影方法懂牧，將中央子午線兩側(cè)各一定經(jīng)差范圍內(nèi)的地區(qū)投影到橢圓柱面上侈净，再將此柱面展開即成為投影面尊勿。高斯投影是正形投影的一種。
高斯-克呂格投影有如下特點：
1）畜侦、中央子午線是直線元扔，其長度不變形；其他子午線是凹向中央子午線的弧線旋膳，并以中央子午線為對稱軸澎语；
2）、赤道線是直線，但有長度變形擅羞；其他緯線為凸向赤道的弧線尸变，并以赤道為對稱軸；
3）减俏、經(jīng)線和緯線投影后仍然保持正交召烂；
4）、離開中央子午線越遠娃承，變形越大奏夫。
若采用分帶投影的方法，可使投影邊緣的變形不致過大历筝。我國各種大酗昼、中比例尺地形圖采用了不同的高斯-克呂格投影帶。其中大于1:1萬的地形圖采用3°帶梳猪；1:2.5萬至1:50萬的地形圖采用6°帶麻削。
（3）UTM投影（等角橫軸割橢圓柱投影）：
UTM是一種“等角橫軸割圓柱投影”，橢圓柱割地球于南緯80度春弥、北緯84度兩條等高圈碟婆，投影后兩條相割的經(jīng)線上沒有變形，而中央經(jīng)線上長度比0.9996惕稻。UTM投影是為了全球戰(zhàn)爭需要創(chuàng)建的竖共，美國于1948年完成這種通用投影系統(tǒng)的計算。與高斯-克呂格投影相似俺祠，該投影角度沒有變形公给，中央經(jīng)線為直線，且為投影的對稱軸蜘渣，中央經(jīng)線的比例因子取0.9996是為了保證離中央經(jīng)線左右約330km處有兩條不失真的標準經(jīng)線淌铐。
這種坐標格網(wǎng)系統(tǒng)及其所依據(jù)的投影已經(jīng)廣泛用于地形圖，作為衛(wèi)星影像和自然資源數(shù)據(jù)庫的參考格網(wǎng)以及要求精確定位的其他應用蔫缸。
