地理坐標(biāo)系（Geographic Coordinate System,GCS）是用于在地球表面確定位置的坐標(biāo)系統(tǒng)，它采用三維球面坐標(biāo)來表示地理位置。這個系統(tǒng)以旋轉(zhuǎn)橢球體的表面為參考面，以法線為依據(jù)，使用經(jīng)度和緯度來表示地面點的位置。地理坐標(biāo)系的三要素包括角度測量單位、本初經(jīng)線以及參考橢球體。
地理坐標(biāo)系中的基本角度是經(jīng)度和緯度，通常以十進制度（DD）或度分秒（DMS）的形式表示。緯度值相對于赤道進行測量，其范圍是 -90°（南極點）到 +90°（北極點）。經(jīng)度值相對于本初子午線進行測量，其范圍是 -180°（向西行進時）到 180°（向東行進時）。經(jīng)緯度通常分為天文經(jīng)緯度、大地經(jīng)緯度和地心經(jīng)緯度。參心大地坐標(biāo)系的橢球中心與地球質(zhì)心不重合，而地心大地坐標(biāo)系的橢球中心與地球質(zhì)心重合。
在實際應(yīng)用中，地理坐標(biāo)系需要與投影坐標(biāo)系結(jié)合，以便于在地圖上表示和計算長度、面積。投影坐標(biāo)系是在地理坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上，通過特定的投影算法得到的，它將三維的地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為二維的平面直角坐標(biāo)。常見的投影坐標(biāo)系包括高斯-克呂格投影和橫軸墨卡托投影等。在ArcGIS軟件中，空間參考（Spatial Reference）是地理坐標(biāo)系、投影坐標(biāo)系等概念的綜合應(yīng)用，它允許用戶將地球表面上的點轉(zhuǎn)換到平面地圖上。
原理
地理坐標(biāo)系依據(jù)其所選用的本初經(jīng)線、參考橢球的不同而略有區(qū)別。
地理坐標(biāo)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(guī)則的逼近原始自然地球表面的橢球體，稱為參考橢球體，然后在參考橢球體上定義一系列的經(jīng)線和緯線構(gòu)成護坡網(wǎng)，從而達(dá)到通過經(jīng)緯度來描述地表點位的目的。需要說明的是經(jīng)緯地理坐標(biāo)系不是平面坐標(biāo)系，因為度不是標(biāo)準(zhǔn)的長度單位，不可用其直接量測面積長度。
經(jīng)緯度通常分為天文經(jīng)緯度、大地經(jīng)緯度和地心經(jīng)緯度。常用的經(jīng)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(tǒng)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(jīng)度線或經(jīng)線。這些線包絡(luò)著地球，構(gòu)成了一個稱為經(jīng)緯網(wǎng)的格網(wǎng)化網(wǎng)絡(luò)。
位于兩極點中間的緯線稱為赤道。它定義的是零緯度線。零經(jīng)度線稱為本初子午線。對于絕大多數(shù)地理坐標(biāo)系，本初子午線是指通過英國格林威治的經(jīng)線。其他國家/地區(qū)使用通過伯爾尼、波哥大和巴黎的經(jīng)線作為本初子午線。護坡網(wǎng)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角，它們均基于與原點所成的羅盤方位角。南和北分別位于赤道的下方和上方，而西和東分別位于本初子午線的左側(cè)和右側(cè)。
通常，經(jīng)度和緯度值以十進制度為單位或以度、分和秒 (DMS) 為單位進行測量。緯度值相對于赤道進行測量，其范圍是 -90°（南極點）到 +90°（北極點）。經(jīng)度值相對于本初經(jīng)線進行測量。其范圍是 -180°（向西行進時）到 180°（向東行進時）。如果本初子午線是格林威治子午線，則對于位于赤道南部和格林尼治東部的澳大利亞，其經(jīng)度為正值，緯度為負(fù)值。
作用
地理坐標(biāo)系定義了地表點位的經(jīng)緯度，并且根據(jù)其所采用的參考橢球體參數(shù)還可求得點位的絕對高程值。
應(yīng)用
地理坐標(biāo)系，事實上早已應(yīng)用于早期的天文地理的應(yīng)用中。以西漢馬王堆漢墓出土的地圖來看，已經(jīng)十分注意經(jīng)緯以及所在地區(qū)的地圖比例等問題。盡管受制于當(dāng)時地域限制，人們的視野無法顧及到更遠(yuǎn)的地方，但有關(guān)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(biāo)還是有著相當(dāng)系統(tǒng)的研究和認(rèn)識。
現(xiàn)今，隨著衛(wèi)星等勘測手段的進步，由此也引發(fā)了對地理坐標(biāo)系的更精確定位。中國北斗導(dǎo)航體系的建立與完善，就是當(dāng)今各領(lǐng)域?qū)Φ乩碜鴺?biāo)系的精確定位提出更高要求的產(chǎn)物。
經(jīng)緯介紹
地理坐標(biāo)系對地球橢球體而言，其圍繞旋轉(zhuǎn)的軸叫地軸。地軸的北端稱為地球的北極，南端稱為南極洲；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臺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、赤道和本初經(jīng)線等作為基本要素，即可構(gòu)成地球橢球面的地理坐標(biāo)系統(tǒng)。其以本初子午線為基準(zhǔn)，向東，向西各分了180°，之東為東經(jīng)，之西為西經(jīng)；以赤道為基準(zhǔn)，向南、向北各分了90°，之北為北緯，之南為南緯。
地理坐標(biāo)系是指用經(jīng)緯度表示地面點位的球面坐標(biāo)系。在大地測量學(xué)中，對于地理坐標(biāo)系統(tǒng)中的經(jīng)緯度有三種描述：即天文經(jīng)緯度、大地經(jīng)緯度和地心經(jīng)緯度。
天文經(jīng)緯度
天文經(jīng)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(jīng)緯度是通過地面天文測量的方法得到的，其以大地水準(zhǔn)面和鉛垂線為依據(jù)，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(shù)據(jù)之用。
大地經(jīng)緯度
地面上任意一點的位置，也可以用大地經(jīng)度L、大地緯度B表示。大地經(jīng)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(jīng)緯度是以地球橢球面和法線為依據(jù)，在大地測量學(xué)中得到廣泛采用。
地心經(jīng)緯度
地心，即地球橢球體的質(zhì)量中心。地心經(jīng)度等同于大地經(jīng)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制圖對精度要求不高，故常把橢球體當(dāng)作正球體看待，地理坐標(biāo)采用地球球面坐標(biāo)，經(jīng)緯度均用地心經(jīng)緯度。地圖學(xué)中常采用大地經(jīng)緯度。
軟件所需坐標(biāo)
投影坐標(biāo)、地理坐標(biāo)、垂直坐標(biāo)
在ArcGIS中，經(jīng)常會接觸到投影坐標(biāo)、地理坐標(biāo)以及垂直坐標(biāo)。而很多人對于這種坐標(biāo)的定義不是太清楚，下面是地理國情監(jiān)測云平臺總結(jié)的這幾個坐標(biāo)的具體定義。
投影坐標(biāo)
投影坐標(biāo)系在二維平面中進行定義。與地理坐標(biāo)系不同，在二維空間范圍內(nèi)，投影坐標(biāo)系的長度、角度和面積恒定。投影坐標(biāo)系始終基于地理坐標(biāo)系，而后者則是基于球體或旋轉(zhuǎn)橢球體的。
在投影坐標(biāo)系中，通過格網(wǎng)上的 x,y 坐標(biāo)來標(biāo)識位置，其原點位于格網(wǎng)中心。每個位置均具有兩個值，這兩個值是相對于該中心位置的坐標(biāo)。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(biāo)和 y 坐標(biāo)。采用此標(biāo)記法，原點坐標(biāo)是 x = 0 和 y = 0。
在等間隔水平線和垂直線的格網(wǎng)化網(wǎng)絡(luò)中，中央水平線稱為 x 軸，而中央垂直線稱為 y 軸。在 x 和 y 的整個范圍內(nèi)，單位保持不變且間隔相等。原點上方的水平線和原點右側(cè)的垂直線具有正值；下方或左側(cè)的線具有負(fù)值。四個象限角分別表示正負(fù) X 坐標(biāo)和 Y 坐標(biāo)的四種可能組合。
在地理坐標(biāo)系中處理數(shù)據(jù)時，有時用 X 軸表示經(jīng)度值并用 Y 軸表示緯度值很有用。
地理坐標(biāo)
地理坐標(biāo)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(zhǔn)面，而基準(zhǔn)面僅是 GCS 的一部分。GCS 包括角度測量單位、本初經(jīng)線和基準(zhǔn)面(基于旋轉(zhuǎn)橢球體)。
可通過其經(jīng)度和緯度值對點進行引用。經(jīng)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(jīng)度和緯度值的地球。
在球面系統(tǒng)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(jīng)度線或經(jīng)線。這些線包絡(luò)著地球，構(gòu)成了一個稱為經(jīng)緯網(wǎng)的格網(wǎng)化網(wǎng)絡(luò)。
用 X 表示經(jīng)度值并用 Y 表示緯度值可能會有幫助。這樣，顯示在地理坐標(biāo)系上定義的數(shù)據(jù)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。
盡管使用經(jīng)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(jīng)度所表示的距離才約等于一緯度所表示的距離。這是因為，赤道是唯一一條長度與經(jīng)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(jīng)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?yōu)橐粋€點，所有經(jīng)線均在此處相交。由于經(jīng)線沿極點方向逐漸集中，所以一經(jīng)度所表示的距離最終將減小為零。在 Clarke 1866 旋轉(zhuǎn)橢圓體上，赤道上的一經(jīng)度等于 111.321 km，而在緯度為 60° 度位置，只有 55.802 km。因為經(jīng)度和緯度不具有標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)。
垂直坐標(biāo)
垂直坐標(biāo)系可以定義高度或深度值的原點。與水平坐標(biāo)系類似，除非要顯示數(shù)據(jù)集或者要將數(shù)據(jù)集與使用不同垂直坐標(biāo)系的其他數(shù)據(jù)合并，否則不需要使用垂直坐標(biāo)系中的大多數(shù)信息。
測量單位可能是垂直坐標(biāo)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。對于每種類型，z 軸方向分別為正“北”或正“南”。下圖顯示了兩種垂直坐標(biāo)系：平均地平線和平均低潮面。平均海平面用作高度值的零水平面。平均低潮面則是基于深度的垂直坐標(biāo)系。
基于高度和深度的垂直坐標(biāo)系。
基于高度的平均海平面坐標(biāo)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(fù) z 值。平均低潮面具有兩個與之關(guān)聯(lián)的 z 值。由于平均低潮面是基于深度的，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(fù) z 值。
參考資料 >
ArcGIS教程：什么是投影坐標(biāo)系？.地理國情監(jiān)測云平臺.2014-04-15