地理坐標系

地理坐標系依據其所選用的本初子午線、參考橢球的不同而略有區別。

地理坐標系可以確定地球上任何一點的位置。首先將地球抽象成一個規則的逼近原始自然地球表面的橢球體，稱為參考橢球體，然後在參考橢球體上定義一系列的經線和緯線構成經緯網，從而達到通過經緯度來描述地表點位的目的。需要說明的是經緯地理坐標系不是平面坐標系，因為度不是標準的長度單位，不可用其直接量測面積長度。

經緯度通常分為天文經緯度、大地經緯度和地心經緯度。常用的經度和緯度是從地心到地球表面上某點的測量角。通常以度或百分度為單位來測量該角度。

在球面系統中，水平線（或東西線）是等緯度線或緯線。垂直線（或南北線）是等經度線或經線。這些線包絡著地球，構成了一個稱為經緯網的格網化網路。

位於兩極點中間的緯線稱為赤道。它定義的是零緯度線。零經度線稱為本初子午線。對於絕大多數地理坐標系，本初子午線是指通過英國格林尼治的經線。其他國家/地區使用通過伯爾尼、波哥大和巴黎的經線作為本初子午線。經緯網的原點 (0,0) 定義在赤道和本初子午線的交點處。這樣，地球就被分為了四個地理象限，它們均基於與原點所成的羅盤方位角。南和北分別位於赤道的下方和上方，而西和東分別位於本初子午線的左側和右側。

通常，經度和緯度值以十進位度為單位或以度、分和秒 (DMS) 為單位進行測量。緯度值相對於赤道進行測量，其範圍是 -90°（南極點）到 +90°（北極點）。經度值相對於本初子午線進行測量。其範圍是 -180°（向西行進時）到 180°（向東行進時）。如果本初子午線是格林尼治子午線，則對於位於赤道南部和格林尼治東部的澳大利亞，其經度為正值，緯度為負值。

地徠理坐標系定義了地表點位的經緯度，並且根據其所採用的參考橢球體參數還可求得點位的絕對高程值。

地理坐標系，事實上早已應用於早期的天文地理的應用中。以西漢馬王堆出土的地圖來看，已經十分注意經緯以及所在地區的地圖比例等問題。儘管受制於當時地域限制，人們的視野無法顧及到更遠的地方，但有關的地理研究卻在不斷進行中。誤差是不可避免的，但由此延伸出來的是古人類對地理坐標還是有著相當系統的研究和認識。

現今，隨著衛星等勘測手段的進步，由此也引發了對地理坐標系的更精確定位。中國北斗導航體系的建立與完善，就是當今各領域對地理坐標系的精確定位提出更高要求的產物。

地理坐標系對地球橢球體而言，其圍繞旋轉的軸叫地軸。地軸的北端稱為地球的北極，南端稱為南極；過地心與地軸垂直的平面與橢球面的交線是一個圓，這就是地球的赤道；過英國格林威治天文台舊址和地軸的平面與橢球面的交線稱為本初子午線。以地球的北極、南極、赤道和本初子午線等作為基本要素，即可構成地球橢球面的地理坐標系統。其以本初子午線為基準，向東，向西各分了180°，之東為東經，之西為西經；以赤道為基準，向南、向北各分了90°，之北為北緯，之南為南緯。

地理坐標系是指用經緯度表示地面點位的球面坐標系。在大地測量學中，對於地理坐標系統中的經緯度有三種描述：即天文經緯度、大地經緯度和地心經緯度。

天文經度在地球上的定義，即本初子午面與過觀測點的子午面所夾的二面角；天文緯度在地球上的定義，即為過某點的鉛垂線與赤道平面之間的夾角。天文經緯度是通過地面天文測量的方法得到的，其以大地水準面和鉛垂線為依據，精確的天文測量成果可作為大地測量中定向控制及校核數據之用。

地面上任意一點的位置，也可以用大地經度L、大地緯度B表示。大地經度是指過參考橢球面上某一點的大地子午面與本初子午面之間的二面角，大地緯度是指過參考橢球面上某一點的法線與赤道面的夾角。大地經緯度是以地球橢球面和法線為依據，在大地測量中得到廣泛採用。

地心，即地球橢球體的質量中心。地心經度等同於大地經度，地心緯度是指參考橢球體面上的任意一點和橢球體中心連線與赤道面之間的夾角。地理研究和小比例尺地圖製圖對精度要求不高，故常把橢球體當作正球體看待，地理坐標採用地球球面坐標，經緯度均用地心經緯度。地圖學中常採用大地經緯度。

投影坐標、地理坐標、垂直坐標

在ArcGIS中，經常會接觸到投影坐標、地理坐標以及垂直坐標。而很多人對於這種坐標的定義不是太清楚，下面是地理國情監測雲平台總結的這幾個坐標的具體定義。

投影坐標系在二維平面中進行定義。與地理坐標系不同，在二維空間範圍內，投影坐標系的長度、角度和面積恆定。投影坐標系始終基於地理坐標系，而後者則是基於球體或旋轉橢球體的。

在投影坐標系中，通過格網上的 x,y 坐標來標識位置，其原點位於格網中心。每個位置均具有兩個值，這兩個值是相對於該中心位置的坐標。一個指定其水平位置，另一個指定其垂直位置。這兩個值稱為 x 坐標和 y 坐標。採用此標記法，原點坐標是 x = 0 和 y = 0。

在等間隔水平線和垂直線的格網化網路中，中央水平線稱為 x 軸，而中央垂直線稱為 y 軸。在 x 和 y 的整個範圍內，單位保持不變且間隔相等。原點上方的水平線和原點右側的垂直線具有正值；下方或左側的線具有負值。四個象限分別表示正負 X 坐標和 Y 坐標的四種可能組合。

在地理坐標系中處理數據時，有時用 X 軸表示經度值並用 Y 軸表示緯度值很有用。

地理坐標系 (GCS) 使用三維球面來定義地球上的位置。GCS 往往被誤稱為基準面，而基準面僅是 GCS 的一部分。GCS 包括角度測量單位、本初子午線和基準面(基於旋轉橢球體)。

可通過其經度和緯度值對點進行引用。經度和緯度是從地心到地球表面上某點的測量角。通常以度或百分度為單位來測量該角度。下圖將地球顯示為具有經度和緯度值的地球。

在球面系統中，水平線(或東西線)是等緯度線或緯線。垂直線(或南北線)是等經度線或經線。這些線包絡著地球，構成了一個稱為經緯網的格網化網路。

位於兩極點中間的緯線稱為赤道。它定義的是零緯度線。零經度線稱為本初子午線。對於絕大多數地理坐標系，本初子午線是指通過英國格林尼治的經線。其他國家/地區使用通過伯爾尼、波哥大和巴黎的經線作為本初子午線。經緯網的原點 (0,0) 定義在赤道和本初子午線的交點處。這樣，地球就被分為了四個地理象限，它們均基於與原點所成的羅盤方位角。南和北分別位於赤道的下方和上方，而西和東分別位於本初子午線的左側和右側。

通常，經度和緯度值以十進位度為單位或以度、分和秒 (DMS) 為單位進行測量。維度值相對於赤道進行測量，其範圍是 -90°(南極點)到 +90°(北極點)。經度值相對於本初子午線進行測量。其範圍是 -180°(向西行進時)到 180°(向東行進時)。如果本初子午線是格林尼治子午線，則對於位於赤道南部和格林尼治東部的澳大利亞，其經度為正值，緯度為負值。

用 X 表示經度值並用 Y 表示緯度值可能會有幫助。這樣，顯示在地理坐標繫上定義的數據就如同度是線性測量單位一樣。此方法與普通圓柱投影基本相同。

儘管使用經度和緯度可在地球表面上定位確切位置，但二者的測量單位是不同的。只有在赤道上，一經度所表示的距離才約等於一緯度所表示的距離。這是因為，赤道是唯一一條長度與經線相同的緯線。(其半徑與球面地球半徑相同的圓稱為大圓。赤道和所有經線都是大圓。)

在赤道上方和下方，用來定義緯度線的圓將逐漸變小，直到最終在南極點和北極點處變為一個點，所有經線均在此處相交。由於經線沿極點方向逐漸集中，所以一經度所表示的距離最終將減小為零。在 Clarke 1866 旋轉橢圓體上，赤道上的一經度等於 111.321 km，而在緯度為 60° 度位置，只有 55.802 km。因為經度和緯度不具有標準長度，所以無法對距離或面積進行精確測量，或者無法很容易地在平面地圖或計算機屏幕上顯示數據。

垂直坐標系可以定義高度或深度值的原點。與水平坐標系類似，除非要顯示數據集或者要將數據集與使用不同垂直坐標系的其他數據合併，否則不需要使用垂直坐標系中的大多數信息。

測量單位可能是垂直坐標系最重要的部分。測量單位始終是線性的(例如，國際英尺或米)。另一個重要部分是 z 值究竟代表高度(高程)還是深度。對於每種類型，z 軸方向分別為正“北”或正“南”。下圖顯示了兩種垂直坐標系：平均海平面和平均低潮面。平均海平面用作高度值的零水平面。平均低潮面則是基於深度的垂直坐標系。

基於高度和深度的垂直坐標系。

基於高度的平均海平面坐標系顯示一個 z 值。落到平均海平線以下且以其為參照的任何點都具有負 z 值。平均低潮面具有兩個與之關聯的 z 值。由於平均低潮面是基於深度的，因此 z 值為正。落到平均低潮面以上且以其為參照的任何點都具有負 z 值。