上篇《GIS資料如何用于數字孿生（三）經緯度》中，我們簡單了解了GIS領域中經緯度的相關知識，在文末還提到了地理坐标系統和投影坐标系統。本篇将帶大家繼續了解GIS領域中的坐标系統相關知識。
前文閱讀：
《GIS資料如何用于數字孿生（一）矢量資料與栅格資料》
《GIS資料如何用于數字孿生（二）地圖服務》
《GIS資料如何用于數字孿生（三）經緯度》
4. 坐标系統
地球表面并不是一個标準的正球體。
4.1. 自然表面
根據2020年的測量結果，珠穆朗瑪峰高程為8848.86m，而地球上最深的海溝——馬裡亞納海溝深度為11034 m，兩者幾乎相差近 2000m。由于地球的自然表面凹凸不平，形态複雜，不能作為測量的基準面，是以人們開始尋求一種與地球自然表面接近的規則曲面來代替不規則的地球表面。
4.2. 大地水準面
地球表面積中海洋面積約占71%，陸地面積僅占29%，大地水準面是表示地球的實體表面。
假設有一個靜止的海水面（一個無波浪、無潮汐、無水流、無大氣壓變化，處于流體平衡狀态的靜止海平面）向陸地延伸形成的一個封閉曲面。
現實中海水面會受潮汐影響不斷變化，人們在海濱設立驗潮站，通過長期觀測，求出海水面的平均高度。通過平均高度測量水準面稱為大地水準面，又稱高程基準面。大陸現規定的高程基準面為1985高程基準。
國家大地測量基本技術規定 GB 22021-2008
4.3. 地球橢球體
假想一個扁率極小的橢圓，繞大地球體短軸旋轉所形成的規則橢球體稱之為地球橢球體。地球橢球體表面是一個規則的數學表面，可以用數學公式表達，是以在測量和制圖中就用它替代地球的自然表面。是以就有了地球橢球體的概念。
——地信論壇《關于地球橢球體(Ellipsoid)知識的介紹》
地球橢球是在測繪工作中用以模拟地球形狀和大小的旋轉橢球，為了便于測量成果的計算和制圖工作的需要，選用一個大小和形狀同大地球體極為近似的、可以用數學方法表達的旋轉橢球來代替。旋轉橢球是以橢圓的短軸（地軸）為軸旋轉而成的，其長半軸a（赤道半徑） 大于短半軸b（極半徑），扁率f=(a-b)/a。
不同的曆史時期、不同的國家和地區，根據相應的資料推算出不同大小的橢球體來近似的代表大地水準面。大陸不同時期使用過的地球橢球體清單如下：
4.4. 大地基準面
有了橢球體，就可以在橢球體的基礎上建立坐标系來表達地面上某點的位置。但針對不同的區域，用一個橢球體去“貼合”的時候必然會出現有的地方“貼合”的好，有的地方“貼合”的不好，是以還需要一個大地基準面來确定橢球體的“位置”和“姿态”。
大地基準面包含兩類：
地心基準面：由衛星資料得到，使用地球的質心作為原點 ，對全球範圍進行最佳拟合。
區域基準面：特定區域内與地球表面吻合，大地原點是參考橢球與大地水準面相切的點。
參心坐标系和地心坐标系的差別：
參心坐标系：指經過定位與定向後，地球橢球體的中心不與地球質心重合而是接近地球質心，是區域性（局部範圍）的坐标系 。
地心坐标系：指經過定位與定向後，地球橢球體的中心與地球質心重合，是全球性的坐标系。
上面從地球的自然表面→大地水準面→地球橢球體→大地基準面的過程可以看做對地球的“逐級逼近”。随着測繪科學與技術的發展，大陸不同時期使用過的大地坐标系如下清單：
目前，大陸已全面推行使用2000國家大地坐标系（China Geodetic Coordinate System 2000），即 CGCS2000坐标系。
是以，假設某個地方的經緯度坐标為[116.56,39.97]，并不代表能在地圖上按照經緯度坐标準确的标注出所在位置，因為在不同的坐标系下采集同一個地點得到的資料是不一樣的。是以，在地圖上準确的标注出某個地點的位置，除了知道坐标值外，還需要知道這個坐标值什麼坐标系下采集生産的。
在GIS領域一般會把坐标系分為地理坐标系（Geographic Coordinate Systems）和投影坐标系（Projected Coordinate Systems）。
如果還要定義某點的高程（可以簡單了解為海拔）嚴格意義上來說還需要高程坐标系，有時也稱垂直坐标系（Vertical Coordinate Systems）。
下篇文章将以CGCS2000地理坐标系下的經緯度坐标舉例兩個小實驗，展講述地理坐标系統的相關知識，敬請期待。