在地理空间领域中，所谓坐标系（coordinate system、CS）指的是描述空间位置是表达形式，即采用什么方法来表示空间位置。人们为了描述空间位置， 采用了多 种方法， 从而也产生了不同的坐标系。
常用的坐标系分为两种：地理坐标系和投影坐标系，其中地理坐标系属于球面坐标系，投影坐标系属于平面坐标系。
01 地理坐标系
地理坐标系是用于地理学的另一种版本的球坐标系，一般是指由经度、纬度和相对高度组成的坐标系，能够表示地球上的任何一个位置。经度和纬度常合称为经纬度。
按确定地理坐标系时所依据的参考面、参考线以及测算方法不同，地理坐标系统中的经纬度有三种描述，即天文经纬度、大地经纬度和地心经纬度。
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天文经纬度
天文经纬度（long latitude of astronomy）是指以地面某点铅垂线和地球自转轴为基准的经纬度，表示地面点在大地水准面上的位置，用天文经度和天文纬度表示。
以大地水准面和铅垂线为依据，纬度是通过某点铅垂线与赤道夹角；经度是过观测点子午面与本初子午面夹角。
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大地经纬度
大地经纬度 （geodetic longitude and latitude）是大地经度与大地纬度的合称，表示地面点在参考椭球面上的位置，用大地经度λ、大地纬度φ和大地高H表示。
大地经度λ：指参考椭球面上某点的大地子午面与本初子午面间的两面角。东经为正，西经为负。
大地纬度φ：指参考椭球面上某点的垂直线（法线）与赤道面的夹角。北纬为正，南纬为负。
大地高H：指某点沿法线方向到参考椭球面的距离。
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地心经纬度
地心经纬度是以地球椭球体质量中心为基点，地心经度同大地经度λ，地心纬度是指参考椭球面上某点和椭球中心连线与赤道面之间的夹角。
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三种经纬度的关系
在大地测量学中，常以天文经纬度定义地理坐标。
在地图学中，以大地经纬度定义地理坐标。地理信息系统中看到的经纬度大多数是以大地坐标系定义的大地经纬度，其特点在下一节中详细描述。
在地理学研究及地图学的小比例尺制图中，通常将椭球体看成正球体，采用地心经纬度。
通过广义垂线偏差公式可以实现天文经纬度和大地经纬度之间的换算；通过拉普拉斯方程可以实现天文方位角和大地方位角之间的换算。
02 大地坐标系
在地图学和各类地理信息系统中，地理坐标系一般指的是大地坐标系。
大地坐标系是大地测量中以参考椭球面为基准面建立起来的坐标系。地面点的位置用大地经度、大地纬度和大地高度表示。
大地坐标系的确立包括选择一个参考椭球体、对椭球进行定位和确定大地起算数据。
在QGIS中，选择一个地理坐标系，可看到对应的参数。下图为WGS84 地理坐标系的参数，包括椭球体、基准面、坐标系起点、单位等。
目前，国内测绘工作主要设计三类常用的大地坐标系统，即参心坐标系、地心坐标系和地方独立坐标系。
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参心坐标系
参心坐标系是我国基本测图和常规大地测量的基础。天文大地网整体平差后，我国形成了三种参心坐标系统，即1954北京坐标系统（局部平差结果）、1980西安坐标系和新1954北京坐标系（整体平差换算值），这三种坐标系都在应用，预计今后还将并存一段时间。
参心坐标系的最大特点是 它与参考椭球体的中心有密切的关系，“参心”意指参考椭球的中心，由于参考椭球的中心一般与地球质心不一致，因而参心坐标系又称非地心坐标系、局部坐标系或者相对坐标系。
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地心坐标系
地心坐标系是以地球质心为坐标原点的坐标系。地心大地坐标系与某一地球椭球元素有关 ,一般要求是一个和全球大地水准面最为密合的椭球 。全球密合椭球的中心一般可认为与地球的质心重合 ，所以地心大地坐标系的一个明显特征是该坐标系所对应的与地球最密合的椭球的中心位于地球质心 ,其短轴一般指向国际协议原点(CIO)。
地心坐标系是为了满足远程武器和航空航天技术发展需要而建立的一种大地坐标系统。从20世纪70年代起，我国先后建立和引进了四种地心坐标系：1978地心坐标系 (DX-1)、1988地心坐标系(DX-2), 1984世界大地坐标系(WGS84)和国际地球参考系(ITRS)。前两种地心坐标系只在少数部门使用 ,后两种地心坐标系已广泛用于 GPS测量。
自2008 年7月开始，我国启用新的地心坐标系———2000 国家大地坐标系。
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地方独立坐标系
在城市测量和工程测量中 ,若直接在国家坐标系中建立控制网, 有时会使地面长度的投影变形较大, 难以满足实际或工程上的需要 ，因此需要建立地方独立坐标系。在常规测量中，这种地方独立坐标系一般只是一种高斯平面坐标系 ,也可以说是一种不同于国家坐标系的参心坐标系 。
03 投影坐标系
由于地理坐标系是球面坐标系，不方便进行距离、方位和面积的量测，因此引入了地图投影，将地球表面上的点转换到平面中。关于地图投影在前面的文章中已详细论述，这里不再重复。
基于地图投影的平面坐标系统，叫做投影坐标系统（Projected Coordinate System）。投影坐标系在二维平面中进行定义。与地理坐标系不同，在二维空间范围内，投影坐标系的长度、角度和面积恒定。
投影坐标系始终基于地理坐标系，而后者则是基于球体或旋转椭球体的。
在投影坐标系中，通过格网上的 x，y 坐标来标识位置，其原点位于格网中心。每个位置均具有两个值，这两个值是相对于该中心位置的坐标。一个指定其水平位置，另一个指定其垂直位置。这两个值称为 x 坐标和 y 坐标。采用此标记法，原点坐标是 x = 0 和 y = 0。
在地图学中，根据投影方式不同，坐标轴、坐标原点、坐标单位等定义各不相同。
我国基本比例尺地形图（1：100万、1：50万、1：25万、1：10万、1：5万、1：2.5万、1：1万、1：5000） 除1：100万以外均采用高斯-克吕格Gauss-Kruger投影（横轴等角切圆柱投影，又叫横轴墨卡托Transverse Mercator投影）为数学基础。
1：100万地形图采用兰伯特Lambert投影（正轴等角割圆锥投影），其分幅原则与国际地理学会规定的全球统一使用的国际百万分之一地图投影保持一致。
海上小于50万的地形图多用墨卡托Mercator投影（正轴等角圆柱投影）。
我国大部份省区图以及大多数小于50万比例尺的地图也多采用Lambert投影和属于同一投影系统的Albers投影（正轴等积割圆锥投影）。
参考资料：
[1] 张军海 李仁杰。地理信息系统原理与实践（第二版）：科学出版社，ISBN：978-7-03-044636-7 ，2015.6。
[2] 张明华， 潘传姣 ，地图学：西南交通大学出版社，2015.11.1，ASIN : B075QHMWBX。
[3] 许家琨，常用大地坐标系的分析比较，海洋测绘，Vol 25 No 6,2005.11。
[4] 百度百科-大地坐标系：https://baike.baidu.com/item/大地坐标系。
[5] 维基百科-地理坐标系：https://zh.wikipedia.org/wiki/地理坐标系。
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