空间参考描述了一个地物在地球上的真实位置。为了正确的对位置进行描述，需要引入一 个可供测量和计算的框架，使得大地测量的结果能够在这个框架上进行描述。而地球是一个 不规则形状的椭球体，那么使用什么样的方法来模拟地球的形状，又该如何将球面上的坐标 投影在平面的地图上？这就需要先了解大地水准面、参考椭球体、基准面的概念，和它们之 间的关系。另外，本文还对我国常用的北京54和西安80两种坐标系统进行了详细的剖析。
1．大地水准面（Geoid）和参考椭球体（Spheroid）
大地水准面提供一个可供测量的表面，它基本与静止的海平面吻合，且处处与重力方向垂 直。因为地球表面各个点的重力方向不同，因此大地水准面是个不规则的椭球体。为了能够 使用数学法则来描述地球的形状，处理测量的成果，这就需要引入一个规则的球体，即参考 椭球体的概念。
参考椭球体是由二维平面上的椭圆绕着短轴旋转而形成的。参考椭球体的长半轴指的是地 心距赤道的距离，参考椭球体的短半轴指的是地心距地球极点的距离。不同的参考椭球体的 长、短半轴都是不同的。如下表所示：
| Spheroid | Semimajor axis (m) | Semiminor axis (m) |
| Clarke 1866 | 6378206.4 | 6356583.8 |
| GRS80 1980 | 6378137 | 6356752.31414 |
| WGS84 1984 | 6378137 | 6356752.31424518 |
不同的地理区域需要选择不同的参考椭球体来进行描述，因为不同的参考椭球体是用来模拟 地球上不同地方的大地水准面的。例如在北美地区，NAD83这种大地坐标系统使用的参考椭球 体就是GRS 1980椭球。对于同一个位置，选择不同的参考椭球体和基准面会改变其坐标值的 大小。下面的例子是华盛顿州的贝林翰采用不同的大地坐标系统的结果，可以看到NAD1927和 另外两个的坐标值有很大的差别。
| Datum | Longitude | Latitude |
| NAD 1927 | -122.46690368652 | 48.7440490722656 |
| NAD 1983 | -122.46818353793 | 48.7438798543649 |
| WGS 1984 | -122.46818353793 | 48.7438798534299 |
2．基准面（Datum）
参考椭球体定义了地球的形状，而基准面则描述了这个椭球中心距地心的关系。基准面是 建立在选择的参考椭球体上的，且考虑到了当地复杂的地表情况。因为参考椭球体还是不能 够很好的描述地球上每个地方的具体情况，可以理解为基准面就是参考椭球向某个地方的大 地水准面逼近的结果，它与参考椭球是多对一的关系。
（1）地心基准面（Geocentric datums）
在过去的15年，使用卫星采集数据给测量学家们提供了一个很好的模拟地球的椭球体，即 地心坐标系统。地心坐标系是使用地球的质心作为中心，目前使用最广泛的就是WGS 1984这 种地心坐标系。
（2）本地基准面（Local datums）
本地基准面是将参考椭球体移动到更贴近当地地表形状的位置，参考椭球体上的某一点必 然对应着地表上的某一位置，这个点就称作大地起算原点。大地起算原点的坐标值是固定的 ，其他点的坐标值都可以由该点计算得到。本地坐标系统的起始位置一般就不在地心的位置 了，而是距地心一定的偏移量。
