在人們找到一種可以準(zhǔn)確定位物體的方法之前，我們在生活中習(xí)以為常的功能，那時候是想都不敢想的。位置是相對的，參照物不同，位置也會不同。對于共同生活在地球的人來說，沒有什么比地球本身更好的參照物了。但人們對地球的認(rèn)識也是近代開始走上正軌，以前要么覺得地是平的、天是圓的，所謂的天圓地方。

后來，人們又認(rèn)為大地彎曲呈弧形；公元前500年前后，畢達(dá)哥拉斯設(shè)想大地是球形；又過了 100 年，亞里士多德通過月食推斷大地是球形；東漢年間，張衡提出 “地如雞中黃”；15-16世紀(jì)，麥哲倫通過環(huán)球航行證實大地是球形；17世紀(jì)，牛頓推斷地球為扁球體；18世紀(jì)，法國科學(xué)家測量出地球為扁球體。
 

 

 

地球的形狀是弄清楚了，但新問題又出現(xiàn)了，地球像這樣奇怪又不規(guī)則的形狀，沒法用數(shù)學(xué)公式表達(dá)啊，不能用數(shù)學(xué)公式，就無法計算測量。為了解決這個問題，人們做了各種妥協(xié)來實現(xiàn)對地球的數(shù)學(xué)化描述，在這妥協(xié)的過程中定義了一些重要的概念，對理解坐標(biāo)定位有著重要的作用，下面就介紹一下這些概念：

 

地球表面有高山、也有洼地，是崎嶇不平的。當(dāng)我們想要使用數(shù)學(xué)法則來描述它，就必須找到一個相對規(guī)則的數(shù)學(xué)面。所以，人們就假設(shè)海水處于完全靜止的平衡狀態(tài)，那么從海平面延伸到所有大陸下部，而與地球重力方向處處正交的一個連續(xù)、閉合的曲面就是大地水準(zhǔn)面。
 

 

大地水準(zhǔn)面忽略了地面上的凸凹不平，但由于地球內(nèi)物質(zhì)分布的不均勻，大地水準(zhǔn)面仍是起伏不平，它雖然非常接近一個規(guī)則橢球體，但并不是完全規(guī)則，沒有辦法用數(shù)學(xué)表達(dá)。用橢圓繞短軸旋轉(zhuǎn)可生成一個橢球體，所以為了定量描述地球的形狀而不受起伏的影響，測量上把與大地水準(zhǔn)面符合得最理想的旋轉(zhuǎn)橢球體叫做地球橢球體。

 

決定地球橢球體形狀和大小的參數(shù)：長軸 a（赤道半徑）、短軸 b（極半徑）和橢球的扁率 f。

 

對地球形狀 a，b，f 測定后，還必須確定大地水準(zhǔn)面與橢球體面的相對關(guān)系，即確定與局部地區(qū)大地水準(zhǔn)面符合最好的一個地球橢球體—參考橢球體。

 

地球橢球體表面和地球表面肯定不是完全貼合，因而即使使用同一個橢球面，不同的地區(qū)由于關(guān)心的位置不同，當(dāng)需要最大限度的貼合自己關(guān)心得區(qū)域表面時，就需要一個橢球曲面來描述這個最大貼合表面，這個表面就是大地基準(zhǔn)面，而這個大地基準(zhǔn)面所在的橢球體就是「參考橢球體」，參考橢球體可以當(dāng)做是根據(jù)大地基準(zhǔn)面的位置偏移、偏轉(zhuǎn)而來。

 

地球橢球體與大地基準(zhǔn)面是一對多的關(guān)系，也就是說基準(zhǔn)面是在地球橢球體基礎(chǔ)上建立的，但橢球體不能代表基準(zhǔn)面，同樣的橢球體可以定義多個基準(zhǔn)面。為了讓大地基準(zhǔn)面與當(dāng)?shù)馗ヅ?，測量和定位更精確，很多國家都開發(fā)自己的大地基準(zhǔn)面。

 

比如，我們經(jīng)常聽到的北京 54 坐標(biāo)系、西安 80 坐標(biāo)系，實際上指的是我國的兩個大地基準(zhǔn)面。我國參照前蘇聯(lián)從 1953 年起采用克拉索夫斯基（Krassovsky）橢球體建立北京 54 坐標(biāo)系，1978 年采用國際大地測量協(xié)會推薦的1975地球橢球體（IAG75）建立了新的大地坐標(biāo)系——西安 80 坐標(biāo)系。

 

為了描述不規(guī)則的地球表面，提出了大地水準(zhǔn)面，大地水準(zhǔn)面仍然是不規(guī)則的，無法用數(shù)學(xué)表達(dá)，又提出了最大程度上可以擬合大地水準(zhǔn)面的地球橢球體，橢球體是規(guī)則的，這樣就可以用數(shù)學(xué)來描述地球的形狀，測量定位才成了可能。

 

但地球上每個區(qū)域地形千差萬別，地球橢球體表面并不能在每個地方都能很好的與這塊區(qū)域貼合合，所以就提出了能夠和該區(qū)域很好貼合的大地基準(zhǔn)面，大地基準(zhǔn)面所確定的，和地球橢球體形狀大小相同、位置方向不同的橢球體就稱為參考橢球體

 

可以用數(shù)學(xué)表達(dá)的參照物有了，我們怎么才能用數(shù)學(xué)描述每個地物的位置呢，比如我們常說的經(jīng)緯度是怎么來的，這就需要坐標(biāo)系統(tǒng)了。