地理坐标系（定义地表点位经纬度的坐标系）

原理

地理坐标系依据其所选用的本初子午线、参考椭球的不同而略有区别。

地理坐标系可以确定地球上任何一点的位置。首先将地球抽象成一个规则的逼近原始自然地球表面的椭球体，称为参考椭球体，然后在参考椭球体上定义一系列的经线和纬线构成经纬网，从而达到通过经纬度来描述地表点位的目的。需要说明的是经纬地理坐标系不是平面坐标系，因为度不是标准的长度单位，不可用其直接量测面积长度。

经纬度通常分为天文经纬度、大地经纬度和地心经纬度。常用的经度和纬度是从地心到地球表面上某点的测量角。通常以度或百分度为单位来测量该角度。

经纬度示意图

位于两极点中间的纬线称为赤道。它定义的是零纬度线。零经度线称为本初子午线。对于绝大多数地理坐标系，本初子午线是指通过英国格林尼治的经线。其他国家/地区使用通过伯尔尼、波哥大和巴黎的经线作为本初子午线。经纬网的原点 (0,0) 定义在赤道和本初子午线的交点处。这样，地球就被分为了四个地理象限，它们均基于与原点所成的罗盘方位角。南和北分别位于赤道的下方和上方，而西和东分别位于本初子午线的左侧和右侧。

通常，经度和纬度值以十进制度为单位或以度、分和秒 (DMS) 为单位进行测量。纬度值相对于赤道进行测量，其范围是 -90°（南极点）到 +90°（北极点）。经度值相对于本初子午线进行测量。其范围是 -180°（向西行进时）到 180°（向东行进时）。如果本初子午线是格林尼治子午线，则对于位于赤道南部和格林尼治东部的澳大利亚，其经度为正值，纬度为负值。

作用

地理坐标系定义了地表点位的经纬度，并且根据其所采用的参考椭球体参数还可求得点位的绝对高程值。

应用

地理坐标系，事实上早已应用于早期的天文地理的应用中。以西汉马王堆出土的地图来看，已经十分注意经纬以及所在地区的地图比例等问题。尽管受制于当时地域限制，人们的视野无法顾及到更远的地方，但有关的地理研究却在不断进行中。误差是不可避免的，但由此延伸出来的是古人类对地理坐标还是有着相当系统的研究和认识。

现今，随着卫星等勘测手段的进步，由此也引发了对地理坐标系的更精确定位。中国北斗导航体系的建立与完善，就是当今各领域对地理坐标系的精确定位提出更高要求的产物。

经纬介绍

地理坐标系对地球椭球体而言，其围绕旋转的轴叫地轴。地轴的北端称为地球的北极，南端称为南极；过地心与地轴垂直的平面与椭球面的交线是一个圆，这就是地球的赤道；过英国格林威治天文台旧址和地轴的平面与椭球面的交线称为本初子午线。以地球的北极、南极、赤道和本初子午线等作为基本要素，即可构成地球椭球面的地理坐标系统。其以本初子午线为基准，向东，向西各分了180°，之东为东经，之西为西经；以赤道为基准，向南、向北各分了90°，之北为北纬，之南为南纬。

地理坐标系是指用经纬度表示地面点位的球面坐标系。在大地测量学中，对于地理坐标系统中的经纬度有三种描述：即天文经纬度、大地经纬度和地心经纬度。

天文经度在地球上的定义，即本初子午面与过观测点的子午面所夹的二面角；天文纬度在地球上的定义，即为过某点的铅垂线与赤道平面之间的夹角。天文经纬度是通过地面天文测量的方法得到的，其以大地水准面和铅垂线为依据，精确的天文测量成果可作为大地测量中定向控制及校核数据之用。

地面上任意一点的位置，也可以用大地经度L、大地纬度B表示。大地经度是指过参考椭球面上某一点的大地子午面与本初子午面之间的二面角，大地纬度是指过参考椭球面上某一点的法线与赤道面的夹角。大地经纬度是以地球椭球面和法线为依据，在大地测量中得到广泛采用。

地心，即地球椭球体的质量中心。地心经度等同于大地经度，地心纬度是指参考椭球体面上的任意一点和椭球体中心连线与赤道面之间的夹角。地理研究和小比例尺地图制图对精度要求不高，故常把椭球体当作正球体看待，地理坐标采用地球球面坐标，经纬度均用地心经纬度。地图学中常采用大地经纬度。

软件所需坐标

投影坐标、地理坐标、垂直坐标

在ArcGIS中，经常会接触到投影坐标^[1]、地理坐标以及垂直坐标。而很多人对于这种坐标的定义不是太清楚，下面是地理国情监测云平台总结的这几个坐标的具体定义。

投影坐标系在二维平面中进行定义。与地理坐标系不同，在二维空间范围内，投影坐标系的长度、角度和面积恒定。投影坐标系始终基于地理坐标系，而后者则是基于球体或旋转椭球体的。

在投影坐标系中，通过格网上的 x,y 坐标来标识位置，其原点位于格网中心。每个位置均具有两个值，这两个值是相对于该中心位置的坐标。一个指定其水平位置，另一个指定其垂直位置。这两个值称为 x 坐标和 y 坐标。采用此标记法，原点坐标是 x = 0 和 y = 0。

在等间隔水平线和垂直线的格网化网络中，中央水平线称为 x 轴，而中央垂直线称为 y 轴。在 x 和 y 的整个范围内，单位保持不变且间隔相等。原点上方的水平线和原点右侧的垂直线具有正值；下方或左侧的线具有负值。四个象限分别表示正负 X 坐标和 Y 坐标的四种可能组合。

在地理坐标系中处理数据时，有时用 X 轴表示经度值并用 Y 轴表示纬度值很有用。

地理坐标系 (GCS) 使用三维球面来定义地球上的位置。GCS 往往被误称为基准面，而基准面仅是 GCS 的一部分。GCS 包括角度测量单位、本初子午线和基准面(基于旋转椭球体)。

可通过其经度和纬度值对点进行引用。经度和纬度是从地心到地球表面上某点的测量角。通常以度或百分度为单位来测量该角度。下图将地球显示为具有经度和纬度值的地球。

在球面系统中，水平线(或东西线)是等纬度线或纬线。垂直线(或南北线)是等经度线或经线。这些线包络着地球，构成了一个称为经纬网的格网化网络。

用 X 表示经度值并用 Y 表示纬度值可能会有帮助。这样，显示在地理坐标系上定义的数据就如同度是线性测量单位一样。此方法与普通圆柱投影基本相同。

尽管使用经度和纬度可在地球表面上定位确切位置，但二者的测量单位是不同的。只有在赤道上，一经度所表示的距离才约等于一纬度所表示的距离。这是因为，赤道是唯一一条长度与经线相同的纬线。(其半径与球面地球半径相同的圆称为大圆。赤道和所有经线都是大圆。)

在赤道上方和下方，用来定义纬度线的圆将逐渐变小，直到最终在南极点和北极点处变为一个点，所有经线均在此处相交。由于经线沿极点方向逐渐集中，所以一经度所表示的距离最终将减小为零。在 Clarke 1866 旋转椭圆体上，赤道上的一经度等于 111.321 km，而在纬度为 60° 度位置，只有 55.802 km。因为经度和纬度不具有标准长度，所以无法对距离或面积进行精确测量，或者无法很容易地在平面地图或计算机屏幕上显示数据。

垂直坐标系可以定义高度或深度值的原点。与水平坐标系类似，除非要显示数据集或者要将数据集与使用不同垂直坐标系的其他数据合并，否则不需要使用垂直坐标系中的大多数信息。

测量单位可能是垂直坐标系最重要的部分。测量单位始终是线性的(例如，国际英尺或米)。另一个重要部分是 z 值究竟代表高度(高程)还是深度。对于每种类型，z 轴方向分别为正“北”或正“南”。下图显示了两种垂直坐标系：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。平均低潮面则是基于深度的垂直坐标系。

基于高度和深度的垂直坐标系。

基于高度的平均海平面坐标系显示一个 z 值。落到平均海平线以下且以其为参照的任何点都具有负 z 值。平均低潮面具有两个与之关联的 z 值。由于平均低潮面是基于深度的，因此 z 值为正。落到平均低潮面以上且以其为参照的任何点都具有负 z 值。