地球的形狀與大小確定之後，還必須確定橢球體與大地水準面的相對關係，這項工作稱為橢球定位與定向。與大地水準面符合得最好的一個地球橢球體，稱為參考橢球體，是地球形體三級逼近。

        說到這裡，我們需要對這幾個詞彙做區分：

             球體：小比例尺，視作球體。 
             橢球體/旋轉橢球體

    3.1 大地基準面

        大地基準面是利用特定橢球體對特定地區地球表面的逼近。ArcGIS中，基準面用於定義旋轉橢球體相對於地心的位置。大地基準面分為地心基準面、區域基準面。

         地心基準面：由衛星資料得到，使用地球的質心作為原點，使用最廣泛的是 WGS 1984。

         區域基準面：特定區域內與地球表面吻合，大地原點是參考橢球與大地水準面相切的點，例如Beijing54、Xian80。

        每個國家或地區均有各自的大地基準面。我們通常稱謂的Beijing54、Xian80座標系實際上指的是我國的兩個大地基準面。相對同一地理位置，不同的大地基準面，它們的經緯度座標是有差異的。

        橢球體與大地基準面之間的關係是一對多的關係。因為基準面是在橢球體的基礎上建立的，但橢球體不能代表基準面，同樣的橢球體能定義不同的基準面。

        在目前的GIS商用軟體中，大地基準面都通過當地基準面向WGS84的轉換7引數來定義，即：
            – 三個平移引數ΔX、ΔY、ΔZ表示兩座標原點的平移值。
            – 三個旋轉引數εx、εy、εz表示當地座標系旋轉至與地心座標系平行時，分別繞Xt、Yt、Zt的旋轉角。
            – 最後是比例校正因子，用於調整橢球大小。

        Beijing54、Xian80相對WGS84的轉換引數至今也沒有公開，實際工作中可利用工作區內已知的北京54或西安80座標控制點進行與WGS84座標值的轉換，在只有一個已知控制點的情況下（往往如此），用已知點的北京54與WGS84座標之差作為平移引數，當工作區範圍不大時，如青島市（10654平方公里），精度也足夠了。

    3.2 地理座標系建立

        地理座標系（大地座標系）是大地測量中以參考橢球面為基準面建立起來的座標系。地面點的位置用經度、緯度、和大地高度表示。大地座標系可分為參心大地座標系和地心大地座標系。

         參心大地座標系：指經過定位與定向後，地球橢球的中心不與地球質心重合而是接近地球質心。區域性大地座標系。是我國基本測圖和常規大地測量的基礎。如Beijing54、Xian80。

         地心大地座標系：指經過定位與定向後，地球橢球的中心與地球質心重合。如CGCS2000、WGS84。

        建立地理座標系的過程如下：
        i. 選擇一個橢球體：Krasovsky_1940橢球體。
        ii. 橢球定位與定向利用“Datum:D_Beijing_1954”大地基準面將這個橢球定位。

        有了 Spheroid 和 Datum 兩個基本條件，就確定了大地基準面，地理座標系統便也可以確定，即經緯度。

    3.3 我國常用地理座標系

        ArcGIS中這4個地理座標系的定義如下：

    3.4 我國常用高程系

        大地控制的主要任務是確定地面點在地球橢球體上的位置，這種位置包括兩個方面：一是點在地球橢球面上的平面位置，即經度和緯度；二是確定點到大地水準面的高度，即高程。

        高程控制網的建立，必須規定一個統一的高程基準面。我國利用青島驗潮站1950～1956年的觀測記錄，確定黃海平均海水面為全國統一的高程基準面，並在青島觀象山埋設了永久性的水準原點。以黃海平均海水面建立起來的高程控制系統，統稱“1956年黃海高程系”。

        1987年，因多年觀測資料顯示，黃海平均海平面發生了微小的變化，由原來的72.289m變為72.260m，國家決定啟用新的高程基準面，即“1985年國家高程基準”。高程控制點的高程也發生微小的變化，但對已成圖上的等高線的影響則可忽略不計。

        國家高程控制網是確定地貌地物海拔高程的座標系統。按控制等級和施測精度分為一、二、三、四等網。目前提供使用的1985國家高程系統共有水準點成果114041個，水準路線長度為416619．1公里。