GIS中定義的座標系主要由基準面和地圖投影確定，地圖投影即通過長度、角度等的變換使得三維的地球體以平面的形式呈現出來。

事實上，地球的形狀並不是規則的球體，由於山地、丘陵、盆地等地形，地球的真實形狀其實是一個近似梨形的不規則物。為了更好地模擬地球，用大地水準面來模擬地球表面是比較合理的。大地水準面是指假設海水靜止不動，水面向大陸延伸（穿透地表物體或於地表之上），形成的一個包含整個地球的封閉曲面。由大地水準麵包圍的地球形體稱為大地體。

大地體並不是規則的球體，因為地球是一個兩極稍扁赤道鼓出的不規則球體，因此將大地體模擬為規則的大地橢球體。但由於地球內部分佈不均，大地水準面和地球橢球體還是會有偏差

所以，大地水準面其實是有輕微起伏的不規則曲面，是測量的基準面。具體到某個地方的時候，可以通過調整地球橢球體來使之與區域性大地水準面最佳匹配，這樣調整後的橢球體稱為參考橢球體，參考橢球面是測量計算的基準面。為了描述物體在空間的位置，需要確定原點。原點是是確定參考橢球面上點的位置與地球表面上點的位置的一個參考，類似於平面座標系中的座標原點，其他點的位置均由原點計算獲得，但是參考橢球面的原點並不一定是（0,0,0），而只是一個參考，從而獲得大地基準面。我國的大地原點位於西安市涇陽縣永樂鎮，門票¥10。GPS測量採用的WGS84座標系的原點位於地球質心（因為GPS是一個全球性的導航定位系統，需要滿足全球定位精度）。

大地基準面由橢球體，橢球體、地表上原點間關係來定義。該關係能以6個量來定義，通常為大地緯度、大地經度、原點高度、原點垂線偏差的兩個分量以及原點至某點的大地方位角。即使是同一個橢球，由於具體目標的位置不同，需要最大限度地貼合自己的那個地區，因而不同的地區大地原點和大地基準面也會不同。基準面是在橢球體基礎上建立的，橢球體能定義不同的基準面但是不能代表基準面，橢球體和基準面之間是一對多的關係。例如前蘇聯的Pulkovo 1942、中國的北京54基準面都採用Krassovsky橢球體。

再來說大地座標系，它是以參考橢球面為基準建立的座標系，地面點的位置由經度、緯度、大地高度表示，大地座標系也是地理座標系

至此，我們就能獲取地表物體的三維座標了。要將其平面化，就需要通過地圖投影來實現。

眾所周知，地球表面是無法展平的，就好比一個乒乓球剪開不能平鋪。所以，將三維的地球投影到二維平面上，無論怎麼變換都會產生誤差和變形。常見的投影方法，比如圓柱投影、圓錐投影、方位投影，都是按照不同的需求縮小特定的誤差，但是一定會增大其他方面（角度、長度、面積。。。）的誤差，因此會出現等角、等距、等面積或者橫軸、縱軸或者切圓柱、切圓錐、割圓柱、割圓錐等情況，具體的特定投影可通過上述情況排列組合，因此簡單的投影種類很多，但都是為了使特定區域的誤差最小。地球上點的位置由經緯度確定，因此在實際投影時，首先將一些經緯度交點展繪在平面上，並把經度相同的點連線為經線，緯度相同的點連線為緯線，構成經緯網。再將球面上其他點按經緯度轉繪在平面上相應的位置。

最牛的投影方法之一——高斯投影，來自偉大的數學天才王子。高斯投影時一種等角橫軸切圓柱，它假設一個橢圓柱面與地球橢球體面橫切於某條經線，按照等角條件將中央經線東、西各3°和1.5°經線範圍內的經緯線投影到橢圓柱面，再將橢圓柱面展開成平面。

這種投影，將中央子午線投影為直線後長度並沒有變形，而其餘經線為向極點收斂的弧線，距離中央子午線越遠，變形越大。而赤道投影后雖然也是直線，但是長度發生了改變。除赤道外的其餘緯線，投影后為凸向赤道的曲線，以赤道兩邊對稱，距赤道越遠，變形越大。經緯線投影后保持正交，所有長度變形的線段，長度變形比均大於1.因此距離中央經線越遠，面積變形越大。我國大、中比例尺地形圖採用了不同的高斯-克呂格投影帶，其中大於1:10000的地形圖採用3°帶，1:2.5w至1:5w的地形圖採用6°帶。

投影座標系：採用X，Y的座標系統來描述地球上某點所處的位置，由基準面和投影方法所確定。

ps：感謝遙感集市的微信推文，後續更新。