一、大地坐标基准
我国于1954年起选定北京的某点作为坐标原点，其他点的大地坐标均以北京原点作为起始点测算，这种平面坐标系统称为1954年北京坐标系。这一坐标系是按苏联克拉索夫斯基椭球体参数建立的。经过较长时期测绘实践证明，该椭球体参数，自西向东有较大系统性倾斜，大地水准面差距最大达768m，这对我国东部沿海地区的计算纠正造成了困难，并且其长轴比1975年国际大地测量协会推荐的地球椭球体参数长105m。因此，我国从1980年起选用了1975年国际大地测量协会推荐的椭球体参数，并将大地坐标原点设在中国西安附近的泾阳县境内，由于大地原点在我国居中位置，因此可以减少坐标传递误差的积累，从此称为1980年坐标系。随着空间和信息技术的迅猛发展和广泛普及，从2008年7月1日起正式启用2000国家大地坐标系作为我国新一代的平面基准。
1.地理坐标系
地球表面上任一点的坐标，实质上就是对原点而言的空间方向，通常通过纬度和经度两个角度来确定。地理坐标就是用经纬度表示地面点位的球面坐标。旋转椭球是一个椭圆绕其短轴旋转而成，如图3-4所示。
过旋转轴的平面与椭球面的截线叫经线。通过英国格林尼治天文台的经线为0经线。因此，M点的经度为经线面与0经线面交角，用λ表示。规定由0经线起，向东为正，称“东经”，由0°至＋180°；向西为负，称“西经”，由0°至－180°。
垂直于地轴(PP′)并通过地心的平面叫赤道平面，它与椭球面相交的交线，称为赤道。过M点作平行与赤道面与椭球面的截线，叫纬线。过M点的法线与赤道面的交角，称为地理纬度，用φ表示。地理纬度从赤道起算向北为正，从0°到北极为＋90°，称为北纬；向南从0°到南极为－90°，称为南纬。
图3-4 地理坐标系
这样，地面上任意一点M的位置，可记成M(λ，φ)。
确定地面点的位置主要采用天文测量与大地测量的方法。天文测量是通过观测星体计算出地面点的经纬度坐标。大地测量是以大地原点为起始点，通过三角测量方法获得经纬度坐标。前者称为天文坐标，后者称为大地坐标。天文坐标一般没有大地坐标的精度高。大、中比例尺地图上一定要用大地坐标。所以，只有在缺少大地控制网的地区才使用独立的天文坐标。近年来，新发展的人造卫星大地测量方法，利用全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)和连续运行参考站网络(Continuously Operating Reference Stations，CORS)技术，不仅能测定地球形状、大地水准面与椭球面的差距，还可测定地面点的坐标，建立人造卫星大地测量控制网。其中，美国的全球定位系统(Global Positioning System，GPS)是目前GNSS中技术最好的。我国目前已利用GPS和CORS技术方法进行大地控制测量和测定坐标。我国的北斗卫星导航系统的定位、导航和授时以及短报文通信服务，也可以用来进行大地控制测量和测定坐标。2020年将建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。
为了保证测量成果既在精度上符合统一要求，又能互相衔接，必须先在全国范围内选取若干有控制意义的点，并且精确测定其平面位置的平面控制网。平面控制网是通过建立全国性一、二、三、四等三角网并用精密仪器测算出各控制点(三角点)的大地坐标。其中一等三角网是由一等三角锁及各段的三角形构成，锁段长200km，锁段内三角形边长为20～30km，以此全国形成骨干大地平面控制网。然后以一等锁为控制基础，依次扩展为二、三、四等三角网。二等三角网的三角形平均边长为13km；三、四等三角网的三角形平均边长分别为8km和4km。可以分别满足从1∶10万至1∶1万比例尺测图控制点的需要(各种比例尺地形图每幅地图不少于3个控制点)。我国目前利用GPS和CORS能完成平面控制网建设的工作。
世界各国差不多都有自己的坐标系，我国在不同时期的坐标系也不一样。由于原点的位置和定位精度等方面的差别，地面上的同一点在不同的坐标系中会有不同的经纬度坐标，不同坐标系的地图数据的拼接或使用不同坐标系的数据制作地图时都会受到这方面的影响。
2.平面直角坐标系
将椭球面上的点通过地图投影的方法投影到平面上时，通常使用平面直角坐标系。平面直角坐标系是按直角坐标原理确定一点的平面位置的，该坐标系是由原点O及过原点的两个垂直相交轴组成。点坐标为该点至两轴的垂直距离。测绘中所使用的直角坐标系与数学中不同，X和Y轴互换，如图3-5所示，以便角度从X轴按顺时针方向计量。
在实际测绘作业中，用平面直角坐标系来建立地图的数学基础，通过地图投影，将地面控制点和某些特殊点的地理坐标换算成平面直角坐标，进行展绘，制作地图。
图3-5 平面直角坐标系
3.我国的大地坐标系统
1)1954年北京坐标系
1954年，我国采用苏联克拉索夫斯基椭球元素建立的坐标系，联测并经平差计算引申到了我国，以北京为全国的大地坐标原点，称1954年北京坐标系。其缺点是椭球体面与我国大地水准面不能很好地符合，产生的误差较大，这对于我国测绘地理信息和空间技术的发展都是不利的。
2)1980年国家大地坐标系统
我国在30年测绘资料的基础上，采用1975年第十六届国际大地测量及地球物理联合会(IUGU/IAG)推荐的新的椭球体参数，以陕西省西安市以北泾阳县永乐镇某点为国家大地坐标原点，进行定位和测量工作，通过全国天文大地网整体平差计算，建立了全国统一的大地坐标系，即1980年国家大地坐标系。其优点在于:椭球体参数精度高；定位采用的椭球体面与我国大地水准面符合性好；天文大地坐标网传算误差和天文重力水准路线传算误差都不太大，而且天文大地坐标网坐标经过了全国性整体平差，坐标统一，可以满足1∶5 000甚至更大比例尺测图的要求等。(https://www.daowen.com)
随着卫星定位导航技术在我国的广泛使用，我国提供的“西安80系”这一大地坐标系统成果与当前用户的需求和今后国家、社会的发展存在矛盾:①坐标维的矛盾，目前提供的二维坐标不能满足需要三维坐标和大量使用卫星定位和导航技术的广大用户的需求，也不适应现代的三维定位技术。②精度矛盾，利用卫星定位技术可以达到10－7～10－8的点位相对精度，而西安80系的精度只能保证3×10－6。③坐标系统(框架)的矛盾，由于空间技术、地球科学、资源、环境管理等事业的发展，用户需要提供与全球总体适配的地理信息坐标系统，而不是局部定义的坐标系统。
改善和更新我国现有的大地坐标系统，必须消除上述各方面的矛盾。
3)CGCS2000国家大地坐标系统
随着社会的进步，国民经济建设、国防建设和社会发展、科学研究等对国家大地坐标系提出了新的要求，迫切需要采用原点位于地球质量中心的坐标系统(以下简称地心坐标系)作为国家大地坐标系。采用地心坐标系，有利于采用现代空间技术对坐标系进行维护和快速更新，测定高精度大地控制点三维坐标，并提高测图工作效率。
2008年3月，由原国土资源部正式上报国务院《关于中国采用2000国家大地坐标系的请示》，并于2008年4月获得国务院批准。自2008年7月1日起，中国将全面启用2000国家大地坐标系，原国家测绘局授权组织实施。
2000国家大地坐标系是我国当前最新的国家大地坐标系，英文名称为China Geodetic Coordinate System 2000，英文缩写为CGCS2000。CGCS2000是全球地心坐标系在我国的具体体现，其原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心。Z轴指向BIH1984.0定义的协议极地方向(BIH国际时间局)，X轴指向BIH1984.0定义的零子午面与协议赤道的交点，Y轴按右手坐标系确定，如图3-6所示。
图3-6 CGCS2000系统坐标轴定义
2000国家大地坐标系采用的地球椭球参数如下:
长半轴:a＝6 378 137m；
扁率:f＝1/298.257 222 101；
地心引力常数:GM＝3.986 004 418×1014m3/s2；
自转角速度:ω＝7.292 115×10－5 rad/s。
CGCS2000由2000国家GPS大地网在历元2000.0的点位坐标和速度具体实现，实现的实质是使CGCS2000框架与ITRF97在2000.0参考历元相一致，因此已建立的GPS控制点可以采用以ITRF97(2000.0)为参考框架重新解算得到与CGCS2000相一致的坐标成果。
现有各类测绘成果，在过渡期内可沿用现行国家大地坐标系；2008年7月1日后新生产的各类测绘成果应采用CGCS2000国家大地坐标系。
4)WGS-84坐标系
WGS-84坐标系是一种国际上采用的地心坐标系。原点是地球的质心，空间直角坐标系的Z轴指向BIH(1984.0)定义的地极(CTP)方向，即国际协议原点CIO，它由IAU和IUGG共同推荐。Z轴指向BIH1984.0定义的协定地球极(CTP)方向，X轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系，它是一个地固坐标系。
WGS-84椭球采用国际大地测量与地球物理联合会第17届大会测量常数推荐值，采用的两个常用基本几何参数。WGS-84地心坐标系可以与1954年北京坐标系或1980西安坐标系等参心坐标系相互转换，其方法之一是:在测区内，利用至少3个以上公共点的两套坐标列出坐标转换方程，采用最小二乘原理解算出7个转换参数就可以得到转换方程。其中7个转换参数是指3个平移参数、3个旋转参数和1个尺度参数。
WGS-84坐标系和CGCS2000的参数区别见表3-2。
表3-2 WGS-84坐标系和CGCS2000的参数区别
