投影、坐标系统、基准面和椭圆体、空间参考几个概念的详述

投影 Projection：

为什么要投影：
我们每天使用的百度地图，贴在墙壁上的中国地图，世界地图都是平面的；但是我们的地球实际是一个椭圆的；这就需要将地球上的每一个点一一对应到平面上；所以需要使用投影了。

投影的方式：
①圆柱投影
②圆锥投影
③方位投影

常见的坐标系：

地心坐标系统 Geocentric Coordinate System
这是一种原点在地心、用 (X,Y,Z)进行表示的坐标系统。这种坐标系统在实际生活中用得比较少，原因很简单：这种坐标系统缺少常见的方位概念，东、西、南、北和上、下。就算用到了这种坐标系统，一般也不会直接显示出来而是转换成其他的坐标系统间接显示出来。

球坐标系统（地理坐标系统）Spherical
这是在实际生活中用得最多的坐标系统，叫球坐标系统，也是就是常说的地理坐标系统。它的原点是本初子午线（这条经线穿过英国的格林尼治天文台，在那里建有相应的标志塔），用经纬度加以表示，经度是东(E)西(W)各180度，纬度是南(S)北(N)各90度。如果要用这个系统来表示有关高程的东西，一般的做法是给定的某个高度或高程是相对于平均海平面或者基准面。

笛卡尔坐标系统 Cartesian Coordinate System
和前面的两种坐标系统明显不一样的地方就是这种坐标系统是一种“平面”的坐标系统，这种坐标系统是二维的，这里的平面两个字加上引号是因为地球的表面不是真的平面的，而是一种球面。在实践中用得最多的一种就是通用横轴墨卡托投影系统(Universal Transverse Mercator 简称UTM)。但是具体到地球上某个地方的时候，测量人员一般不会直接采用这种投影，而是一种成为本地平面投影坐标系统，这涉及到本地基准面等概念。有了笛卡尔坐标系统，人们可以非常方便地在地图上进行各种量算：距离长度、角度和面积，这些都和下面说到的投影密切相关。

椭球体与基准面：

科学发展到现在，相信大家都知道了地球不是标准的球体，更不是平面的。那么应该如何去定义地球的表面形状呢？如果我们把平均的海平面定义为地球的表面形状，我们无法得到一个球体状或者是一个椭圆体，虽然海平面跟其下面的地球表面是处处平行的，原因很简单：海平面是跟其所在地球表面的重力场方向处处正交的。问题就是出在这里了，地球表面的重力场会随着物质的一些特性，比如物质的密度而不停地改变，这样一来地球表面的重力场方向处处都不一样，不是都严格指向地心的。借助现在的卫星监测技术，我们已经知道地球其实是一个不规则的球状体，见图4。为了应用的方便，我们通常的做法是采用椭圆体去逼近实际的地球的形状。椭圆体主要通过它的长半轴和扁率来描述。
有了这个椭圆体，我们就可以引出一系列的概念来帮助描述地球的形状。Datum基准面就是非常重要的一个概念，椭圆体的中心和方位就构成了我们所谓的基准面，有些就这样定义：利用特定椭球体对特定地区地球表面的逼近而形成所谓的基准面。通过在椭圆体上的一系列点，我们可以定义地球的中心，这里还有另一个问题。如果在地球的表面建立一系列的控制点，但是由于大陆漂移的存在，这些一开始定义的控制点每年都会变化，所以在我们看到每个基准面的定义中都会一个年份，表示这是在什么年份建立的控制点。已经流行的基准面种类非常多，有些是用来进行全球
范围内的测量，有些用来进行地球上局部地区的测量。见图5 。

看看那句话“我的数据是WGS84坐标系统的”是否合理。很明显这里说的WGS84只是指出数据是基于WGS84基准面的，但是没有指出是采用哪一种投影系统。

空间参考 Spatial Reference

空间参考总的来说就是上面说到的几个概念的综合，空间参考就是为了从比较概括的角度来说明如何把地球上的点最终转换到平面上去。空间参考首先需要一个椭圆体，由这个椭圆体派生出一个基准面，在基准面的基础上选择不同的坐标系统（地心坐标系统、地理坐标系统、投影坐标系统），把球面上的点转换到平面上去。
欧洲石油调查组织(European Petroleum Survey Group)简称EPSG，定义了大量的空间参考，并给每一中空间参考定义了一个唯一的ID号。这些空间参考通常用Well-Known的格式加以定义其各种参数。比如常见的基于WGS84的具有经纬值的数据所采用的空间参考就是EPSG中定义的ID号为4326的空间参考，其Well-Known格式定义如下（WKT）：
GEOGCS[“GCS_WGS_1984”,DATUM[“D_WGS_1984”,SPHEROID[“WGS_1984”,6378137,298.257223563]],PRIMEM[“Greenwich”,0],UNIT[“Degree”,0.0174532925199433]]。这种格式是OGC抽象规范所定义的，另外一种是基于二进制的WKB。