大家都知道地球的外表是起伏變化的，因為地球上有高山、平原、峽谷等。

　　我們的地球

　　地表約71%的面積是海洋，29%的面積是陸地，陸地幾乎是被海洋包圍和分割。

　　如果將平均海水面延伸到大陸及島嶼內部，構成閉合曲面，這個(gè)閉合曲面稱(chēng)為大地水準面。

　　那么大地水準面是球面嗎？

　　顯然不是的！

　　早在17世紀，牛頓在研究地球自轉的離心力對地球形態(tài)的影響時(shí)，推斷地球形狀不是標準球體，而是一個(gè)赤道處略為隆起兩極略為扁平的橢球體。

　　同時(shí)代的法國天文學(xué)家卡西尼也認為地球是一個(gè)橢球體，但是他認為是赤道扁平兩極隆起。

牛頓

卡西尼

　　18世紀，法國科學(xué)院派出的測量隊到北歐和南美洲等地進(jìn)行弧度測量，證實(shí)地球確實(shí)為橢球體，赤道隆起兩極扁平。證明牛頓是對的！

　　既然這樣，那么大地水準面就是光滑橢球面？

　　也不是！

　　經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的觀(guān)測發(fā)現，大地水準面實(shí)際上是這樣的。

　　地球的大地水準面

　　大地水準面是一個(gè)不規則的曲面。

　　下圖是大地水準面到參考橢球面法線(xiàn)方向距離的全球高程異常圖（基于EGM96模型）。

　　正值表示當地大地水準面在橢球面之上，負值表示當地大地水準面在橢球面之下。

　　造成大地水準面起伏變化的原因是地球內部物質(zhì)密度分布的不均勻性。

　　地球內部物質(zhì)分布的不均勻性，引起重力大小和方向產(chǎn)生不規則的變化，導致處處與重力方向正交的大地水準面也會(huì )有微小的起伏變化。

　　大地水準面是一個(gè)不規則的曲面，不能直接用數學(xué)公式表述。這怎么進(jìn)行大地測量？

　　既然大地水準面近似一個(gè)橢球面，那就構建一個(gè)橢球體，去擬合不規則的大地水準面。

　　早期科學(xué)家主要是基于本國水準面數據去創(chuàng )建橢球體模型，使其與本國的大地水準面擬合的誤差最小。

　　下表是歷史上主要的橢球體模型：

　　在1952年以前，中國使用的是美國的海福特（Hayford）橢球體。

　　北京54坐標系

　　1952年后，中國向蘇聯(lián)“老大哥”學(xué)習，采用蘇聯(lián)的克拉索夫斯基橢球體建立大地坐標系，這個(gè)參考橢球體的坐標原點(diǎn)在前蘇聯(lián)玻爾可夫天文臺，中國于1954年在國內測定了由玻爾可夫天文臺延伸到北京的大地原點(diǎn)，完成橢球體的定位。因此叫1954年北京坐標系，簡(jiǎn)稱(chēng)北京54（BJ-54）。

　　采用青島驗潮站1950-1956年驗潮資料確定的黃海平均海水面為“全國統一高程基準面”，這就是所說(shuō)的1956年黃海高程。

青島的黃海邊的水準零點(diǎn)

　　40年前的地學(xué)圖件基本上用的是北京54坐標系。

　　西安80坐標系

　　北京54坐標系在建國初期的經(jīng)濟建設中發(fā)揮重要作用，但是北京54坐標系本身存在缺陷。首先因為其采用的克拉索夫斯基橢球體主要是基于蘇聯(lián)境內大地水準面數據建立的，而蘇聯(lián)地處靠近極地的高緯度地區。沒(méi)有采用中國的數據，該坐標系統在中國范圍內擬合得不好，誤差較大，在中國部分地區的高程異常誤差達到60米以上。還有就是該大地坐標系的坐標原點(diǎn)不在國內，北京大地原點(diǎn)是由蘇聯(lián)境內的坐標原點(diǎn)推算得到的。另外就是克拉索夫斯基橢球體由于建立時(shí)間早，精度低，越來(lái)越不能滿(mǎn)足社會(huì )主義建設的需求。

　　1975年前后，國家在陜西涇陽(yáng)縣永樂(lè )鎮建立中國自己的大地原點(diǎn)，該地點(diǎn)位于中國大陸的中部，投影誤差較小。

中國大地坐標原點(diǎn)

　　與此同時(shí)，國際上許多國家合作，采用全球的大地水準面數據，建立起國際性的橢球體模型，如1975年的國際橢球體等。

　　隨著(zhù)中國與西方國家關(guān)系改善，1978年4月在西安召開(kāi)全國天文大地網(wǎng)平差會(huì )議，確定重新定位，建立我國新的坐標系，即1980年國家大地坐標系。該大地坐標系采用地球橢球基本參數為1975年國際大地測量與地球物理聯(lián)合會(huì )（IUGG）第十六屆大會(huì )推薦國際橢球體的數據，即IAG 75地球橢球體。坐標原點(diǎn)為中國在涇陽(yáng)縣永樂(lè )鎮建立的大地原點(diǎn)，因為距離西安市不遠，因此該坐標系統又稱(chēng)為西安80坐標系，簡(jiǎn)稱(chēng)西安80。

　　基準面采用青島大港驗潮站1952-1979年確定的黃海平均海水面（即1985國家高程基準）。

　　WGS-84坐標系

　　隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展，對坐標系的精度要求越來(lái)越高，同時(shí)科技的進(jìn)步為建立精度更高的坐標系統提供了條件。

　　20世紀80年代初，大地測量學(xué)界和美國國防部等機構基于衛星雷達測高等數據、結合地球重力異常、偏轉、多普勒效應等影響因素建立一套新的坐標系，該坐標系屬于地心坐標系，坐標原點(diǎn)位于地心，不在地表。其地心空間直角坐標系的Z軸指向國際時(shí)間服務(wù)機構（BIH）1984.0定義的協(xié)議地球極（CTP）方向，X軸指向BIH 1984.0的零子午面和CTP赤道的交點(diǎn)，X軸、Y軸與Z軸相互垂直構成右手正交坐標系。該坐標系統稱(chēng)為1984年世界大地坐標系（World Geodetic System一1984 Coordinate System），簡(jiǎn)稱(chēng)WGS-84坐標系。WGS-84坐標系最初橢球體參數采用1980國際橢球體，后來(lái)進(jìn)行了一些細微改進(jìn)。

　　GPS采用的是WGS-84坐標系，因此將GPS坐標數據導入到地質(zhì)圖等國內圖件，需要進(jìn)行坐標系轉換，從WGS-84坐標系轉換到1980西安等其他國內使用的坐標系中。

　　2000國家大地坐標系

　　隨著(zhù)衛星導航技術(shù)的廣泛使用，地心坐標系成為趨勢，生產(chǎn)生活中也對地心坐標系提出迫切需求。而西安80坐標系由于建立的時(shí)間較早，沒(méi)有采用地心坐標系，原點(diǎn)在地表，越來(lái)越不能滿(mǎn)足要求。

　　2008年7月1日中國開(kāi)始啟用2000國家大地坐標系（China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000），該坐標系是我國自主建立、結合中國實(shí)際國情的地心坐標系。實(shí)現了由地表原點(diǎn)到地心原點(diǎn)、由二維到三維、由低精度到高精度的轉變，適應現代空間技術(shù)發(fā)展趨勢，滿(mǎn)足我國北斗全球定位系統、全球航天遙感、海洋監測及地方性測繪服務(wù)等對確定一個(gè)與國際銜接的全球性三維大地坐標參考基準的迫切需求。

　　由于Z軸由原點(diǎn)指向歷元2000.0的地球極（CTP）方向，X軸由原點(diǎn)指向歷元（Terrestrial Time）2000.0的零子午面與地球赤道的交點(diǎn)，X軸、Y軸與Z軸相互垂直構成右手正交坐標系。該坐標系稱(chēng)為2000國家大地坐標系。

　　2000國家大地坐標系啟用的過(guò)渡期為10年，過(guò)渡期結束后，西安80和北京54坐標系正式退出歷史舞臺。

　　新時(shí)代，CGCS2000坐標系支撐了國家北斗衛星導航系統的建設與應用，成為了國家經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展的重要基石。

北斗三號全球衛星導航系統

　　現在你明白了嗎？我國已經(jīng)啟用了2000國家大地坐標系，在這個(gè)地心坐標系上沒(méi)有地表原點(diǎn)，而根據之前的坐標系確定，中國的大地原點(diǎn)還在陜西涇陽(yáng)縣永樂(lè )鎮。