零、綜述
要搞懂座標系，就從“地球模型 -> 座標系 -> 平面投影”這三個方面來學習
1、地球模型：
- 價值：對於不規則的地球，選擇一個曲面儘量逼近當地大地體的橢球作爲模型基礎。
- 關鍵詞：克拉索夫斯基橢球、海福特橢球
2、座標系：
- 價值：以選定的橢球體爲基礎，輔以原點和座標軸選擇，就可以測量地形地物的位置。
- 關鍵詞：北京54、西安80、WGS84、CGCS2000
3、平面投影：
- 價值：我們的地圖，總得畫在紙上，在顯示器上吧，我總不能到處拎着地球儀。我們需要使用投影的方式，將不規則的地球曲面座標轉換爲地圖平面座標。
- 關鍵詞：高斯-克呂格投影、蘭勃特投影
一、地球模型 - 橢球體：選取測繪的模型基礎
從太空俯視地球，地表其實是及其複雜的表面。珠穆朗瑪峯與太平洋的馬裏亞納海溝之間高差近20km。
事實上，地球不是一個正球體，而是一個極半徑略短、赤道半徑略長，北極略突出、南極略扁平，近於梨形的橢球體。
地球是一個近似橢球體，測繪時用橢球模型逼近，這個模型叫做參考橢球
總地球橢球體：與大地體最接近的地球橢球。
參考橢球：局部與大地體密合最好的地球橢球。
赤道是一個半徑爲a的近似圓，任一圈經線是一個半徑爲b的近似圓。a稱爲橢球的長軸半徑，b稱爲橢球的短軸半徑。
a≈6378.137千米，b≈6356.752千米。（實際上，a也不是恆定的，最長處和最短處相差72米，b的最長處和最短處相差42米，算很小了）
地球參考橢球基本參數：
長軸：a
短軸：b
扁率：α=(a-b) / a
第一偏心率：e=√(a2-b2) / a
第二偏心率：e'=√(a2-b2) / b
這幾個參數定了，參考橢球的數學模型就定了。
我國所採用的參考橢球：新中國成立前的海福特橢球；新中國成立初期的克拉索夫斯基橢球。1978年我國根據自己實測的天文大地資料推算出適合本地區的地球橢球參數，從而建立了1980西安大地座標系，並將大地原點設於陝西省涇陽縣永樂鎮。
二、座標系：確定原點和座標軸
前面說了，參考橢球體是模型基礎，那麼有了模型基礎，但我們需要是座標，即目標物的位置，而位置一定是相對的，那麼在橢球模型的基礎上，還需要兩個基礎數據：原點位置+座標軸。
北京54座標系、西安80座標系、WGS-84座標系、2000國家大地座標系基於的橢球體都是不同的，如下表：
這些座標的原點、座標軸都是不同的。
參心座標系與地心座標系
根據其原點位置不同分爲地心座標系和參心座標系
（1）地心座標系（全球性） CGCS2000、WGS84
（2）參心座標系（區域性應用） Beijing54、Xian80
不管是參心座標系還是地心座標系，都是有一個橢球的。
北京54，參心座標 （區域性應用）
用的是前蘇聯的參數，它是面向蘇聯的，所以它在前蘇聯區域這個曲面儘量逼近，而其它國家地區偏多少它不管。大地原點在蘇聯的普爾科沃，離那越遠，誤差就越大。北京54是建國初期提出的地理座標系，因此在早期有比較廣泛的運用，有一定比例的數據使用的是1954北京座標系。從現代的眼光看，它並不能十分準確地表達我國國境內的空間位置。
西安80，參心座標 （區域性應用）
是面向中國的，所以它在中國區域這個曲面儘量逼近，而其它國家地區偏多少它不管。大地原點在西安附近的涇陽縣，也就是說，在西安大地原點處，模型和真實地表參考海平面重合，誤差爲0，而離大地原點越遠的地方，誤差越大。所謂的大地原點就是這麼來的，它是人爲去定的，而不是必須在那裏，它要儘量放在中國的中間，使得總的誤差儘量小而分佈均勻。然後，我國在自已境內進行的建築，測繪，勘探什麼的所繪製的圖，都以這個大地原點爲基準，去建立各種用途的地表座標系，就能統一起來了。
1、地處我國領土的中部，幾乎是我國的幾何中心。
2、地質構造穩定，八百里秦川關中腹地，地下都是淤積的黃土，地質災害威脅較小。
3、地下物質穩定，周圍沒有礦藏資源，歷史上也從未出現過大水災，因此，人爲挖掘和自然災害威脅較小，大地原點設在這裏基本上是安全穩定的。
WGS84，World Geodetic System 1984，地心座標系（全球性）
面向全球的國際通用座標系，原點在地球的質心，是爲GPS全球定位系統使用而建立的座標系統。因爲是面向全球通用，所以它儘量逼近整個地球表面，優點是範圍大，缺點是局部不夠精確。大名鼎鼎的GPS系統就是採用的WGS84座標系。WGS84座標系對於具體地方的位置描述可能不如當地座標系來的準確，但是它對全球範圍內的位置估計更準確。谷歌地圖（非中國境內）也是採用的WGS84座標系。在進行不同座標系之間轉換的時候，一般以WGS84座標系作爲基準座標。
所以在中國區域，WGS84模型是沒有西安80模型那麼準確。而用西安80模型來算美國的點，則更不準確。現在更新爲2000國家大地座標系，參數比西安80更精確了，而道理是一樣的。
2000國家大地座標系，China Geodetic Coordinate System 2000，地心座標系（全球性）
我國當前最新的國家大地座標系。
2018年，自然資源部宣佈自2019年1月1日起，全面停止向社會提供1954年北京座標系和1980西安座標系基礎測繪成果。
按照國務院關於推廣使用2000國家大地座標系的有關要求，之前國土資源部（現自然資源部）確定，2018年6月底前完成全系統各類國土資源空間數據向2000國家大地座標系轉換，2018年7月1日起全面使用2000國家大地座標系。
也就是說西安80和北京54座標系將正式退出歷史舞臺，7月1日後自然資源系統將全面使用2000國家大地座標系。
對於2018年7月1日以前已經開展的涉及空間數據採集工作的項目，可仍採用原先設定的座標系，待項目完成後，再對數據進行統一的2000國家大地座標系轉換。
都說WGS84是質心座標系，北京54，西安80是參心座標系，何謂質心？何謂參心？
質心好理解，就是地球體的質量中心，WGS84座標系面向全球定位，所以它所建立的模型是最中庸的，沒有偏向任何一個地區，橢球體模型的幾何中心與地球質心重合時，模型就會最接近整個地球。
而北京54和西安80側重於局部的精確性，而捨棄整體的精確性，當橢球模型(西安80)在中國區域最精確時，它的幾何中心肯定不是地球質心，而在別的地方。所以這個幾何中心稱之爲參考中心，簡稱參心。
地球上一個點經緯度，是基於參考橢球來算的，所以，同一個地方，用北京54，西安80，WGS84算出來的經緯度是三個不一樣的值。由於GPS用的是WGS84，所以我們手機看到的是WGS84座標系的經緯度。
網絡地圖的座標系
國土安全以及隱私保密的考慮，互聯網地圖的座標並不能直接使用WGS84座標系，而需要經過加密。
WGS84座標系，國際通用座標系，Google Map
GCJ02座標系，（G-Guojia國家，C-Cehui測繪，J-Ju局），火星座標系，WGS84座標系加密後的座標系；Google國內地圖、高德、QQ地圖
BD09座標系 ，百度座標系，GCJ02座標系加密後的座標系。
三、平面投影 - 通過投影把球面座標轉換成平面座標
我們的地圖，總得畫在紙上，在顯示器上吧，不然到處拎着地球儀？地球上的點是用經緯度表示的，緯度越高的地方，1度的經度的距離就越短。那麼，問題來了，地球表面是曲面，而且經緯度與長度距離並不是簡單的比例關係，怎樣畫到平面上？答案是，投影算法。好，問題又來了，投影算法哪家強？目前就存在了好多投影方法，比如高斯投影、墨卡託投影等。
投影的過程很像剝橘子皮，當橘子皮剝得足夠細的時候，展開就是一張平面。是不是很像微積分的思路，不規則形狀如何計算長度，就是切分到足夠小的小段，每一個小段假設爲直線。
地理座標系（Geographic Coordinate System）：爲球面座標。 參考平面地是橢球面，座標單位：經緯度；
投影座標系（Projection Coordinate System）：爲平面座標。參考平面地是水平面，座標單位：米、千米等；
高斯-克呂格投影
假設一個橢圓柱面與地球橢球體面橫切於某一條經線上，按照等角條件將中央經線東、西各3°或1.5°經線範圍內的經緯線投影到橢圓柱面上，然後將橢圓柱面展開成平面而成的。
高斯克呂格投影是分帶投影的，主要分有3度帶和6度帶兩種。3度帶就是經度每3度一個帶，全球切成120個帶；6度帶就是經度每6度一個帶，全球切成60個帶。不同的帶之間各有各的原點自成xy座標系，不能用本帶的xy座標系去計算其它帶的，因爲原點都不同了。
優點：長度和麪積變形是最小的(比起其它投影)。
缺點：需要分帶，相鄰的帶不能拼接(上尖下寬怎麼接？好難個)，導致覆蓋範圍小。
所以高斯投影適用於小地區的地圖，一個帶就能覆蓋的地區。
墨卡託投影
墨卡託(Mercator)投影，又名"等角正軸圓柱投影"，荷蘭地圖學家墨卡託（Mercator）在1569年擬定，假設地球被圍在一箇中空的圓柱裏，其赤道與圓柱相接觸，然後再假想地球中心有一盞燈，把球面上的圖形投影到圓柱體上，再把圓柱體展開，這就是一幅標準緯線爲零度（即赤道）的"墨卡託投影"繪製出的世界地圖。
優點：沒有角度變形，由每一點向各方向的長度比相等，它的經緯線都是平行直線，且相交成直角。
缺點：長度和麪積變形明顯，緯線間隔從基準緯線處向兩極逐漸增大。但因爲它具有各個方向均等擴大的特性，保持了方向和相互位置關係的正確。
墨卡託投影地圖常用作航海圖和航空圖，如果循着墨卡託投影圖上兩點間的直線航行，方向不變可以一直到達目的地，因此它對船艦在航行中定位、確定航向都具有有利條件，給航海者帶來很大方便。
谷歌地圖，百度地圖用的就是墨卡託投影，且以赤道作基準緯線。
四、不同座標系座標的轉換
在發佈地理數據時經常會面臨座標轉換問題，西安80和北京54與WGS-84是基於不同橢球體的，無法實現嚴密座標轉換，需要至少三個公共點通過7參數模型轉換。公共點現在是通過衛星地圖的道路形狀特徵選取的，位置精度是米級，遠大於7參數模型的轉換誤差。提高公共點的座標精度纔是座標轉換的關鍵！
參考
CGJ02、BD09、西安80、北京54、CGCS2000常用座標系詳解