GIS一般都是研究的基於地球的某個區域，例如一個國家、省或市的情況，既然地球上都有經緯度來標識，那么直接用經緯度來標識物體的位置不可以嗎？但如果應用不一樣，在實際中選擇的空間參考系也是不一樣的。例如我們使用GIS系統在做一個房間的布置的時候，就應該不會經緯度和高程數據來標識物體的位置。
但其實我們在GIS行業中主要研究的還是比較大的一片區域，可以都是相對於地球可以用經緯度表示的。但實際上地球是一個兩級稍扁，赤道略鼓的不規則球體。並且在地球表面上既有高山也有海洋、還有低於海平面的盆地等，這么復雜的形狀是沒法用數學公式定義的。那么可以把地球當成一個圓球的形狀嗎？這樣很容易用數學公式描述。但這種情況下做直徑幾厘米或幾十厘米的地球儀是可以的，但繪制大比例尺地圖或者進行精密的計算時，這樣的計算精度就太差了，根本不能滿足需求。所以一般情況下會把地球模擬成一個橢球體，但如果有更高精度要求話應該模擬的更復雜。
地球大致的形狀
地球可能實際的形狀
- 1979年，國際大地測量及地球物理協會給出的地球橢球體的參數數據如下：
- 赤道半徑（長軸半徑）： 6378.14 km
- 極半徑（短軸半徑）： 6356.76 km
- 赤道周長：40075.7 km
- 地球表面積：510100934 km2
- 地球平均半徑：6371 km
地理坐標系
橢球體
如果要定義一個空間參考，首先要確定模擬地球的橢球體的一些參數，在歷史上有很多橢球體模型的，例如我國在1952以前采用海福特（Hayford）橢球體，從1953年-1980年采用克拉索夫斯基橢球體，隨着人造衛星的發射和測量技術的發展，我們開始使用16屆國際大地測量及地球物理聯合會公布的橢球體，名稱為GRS（1975）。但實際上我們拿到的數據和做的系統使用的橢球體是很多的。可以說是各種各樣。
基准面
有了橢球體來模擬地球，我們就可以比較准確對應地球表面的點和橢球體表面的點，然后用經緯度描述。那基准面是干嘛的呢？我們前面也提到，地球是一個表面高低起伏不平的橢球體，大部分是海洋，最低處和最高處相差近20km。橢球體我們確定了，那橢球體的怎么和地球體去貼和？基於整個地球的還好，但如果是基於亞洲，基於中國的一個空間參考呢？例如一個基於中國的空間參考，橢球體已經定義好了，在沒有基准面的情況下，直接把橢球體貼合到地球上，地球表面是起伏不平的，因為要考慮整體貼合，所以對中國而言就貼合的不是很好。但如果我們只研究中國這塊區域，是不是可以把這個橢球體調整一下，讓橢球體的表面更加貼近中國的區域？答案是可以的，調整的參數其實就是基准面了。所以這就不難理解每個州、國家甚至區域都有自己的基准面。例如我們通常說的北京54和西安80指的就是基准面。
當地球和橢球體整體貼合時的情況
當橢球體要貼合某一區域時的情況(貼合左邊的某一區域)
我們一旦說基准面的時候，這個基准面肯定是包含一個橢球體的，在一個橢球體基礎上定義出不同的基准面。橢球體和基准面是1對多的關系。像我們國家的北京54基准面使用的橢球體是克拉索夫斯基橢球體，而西安80基准面使用的橢球體是我們上面所說的GRS（1975）橢球體。
基准面分為地心基准面和大地基准面。如果是基於整個地球的基准面呢，應該是是為地心為原點的，例如WGS84就是以地球質心為原點的地心基准面，是目前使用最廣放的全球的基准面。WGS84基准面使用的橢球體就叫WGS84橢球體，這些橢球體的參數都可以查到。
那么基准面是怎么定義的呢？
在測量學中，大地基准面（Geodetic datum），設計用為最密合部份或全部大地水准面的數學模式。它由橢球體本身及橢球體和地表上一點視為原點間之關系來定義。此關系能以6個量來定義，通常（但非必然）是大地緯度、大地經度、原點高度、原點垂線偏差之兩分量及原點至某點的大地方位角。
GIS中的基准面通過當地基准面向WGS1984的轉換7參數來定義，轉換通過相似變換方法實現，假設 Xg、Yg、Zg表示WGS84 地心坐標系的三坐標軸，Xt、Yt、Zt 表示當地坐標系的三坐標軸，那么自定義基准面的 7參數分別為：三個平移參數ΔX、ΔY、ΔZ表示兩坐標原點的平移值；三個旋轉參數 εx、εy、εz表示當地坐標系旋轉至與地心坐標系平行時，分別繞 Xt、Yt、Zt 的旋轉角；最后是比例校正因子，用於調整橢球大小。（以上兩段從網上摘抄，我自己也不怎么明白）
我國主要采用的地理坐標系
●1954年北京坐標系（Beijing Geodetic Coordinate System，l954）
該坐標系是通過與原蘇聯1942年坐標系聯測而建立的，其原點不在北京，而是在蘇聯普爾科沃。該坐標系采用克拉索夫斯基橢球（Krasovsky-1940）作為參考橢球，高程系統采用正常高，以1956年黃海平均海水面為基准。
●1980年西安坐標系
其大地原點設在西安西北的永樂鎮，簡稱西安原點。橢球參數選用1975年國際大地測量與地球物理聯合會第16屆大會的推薦值。簡稱IUGG-75地球橢球參數或IAG-75地球橢球。2000年后的空間數據常采用該坐標系。
●WGS84坐標系（WGS一84 Coordinate System）
在GPS定位中，定位結果屬於WGS-84坐標系。該坐標系是使用了更高精度的VLBL、SLR等成果而建立的。坐標系原點位於地球質心，Z軸指向BIH1984.0協議地極（CTP）。用於GPS定位系統的空間數據采用該坐標系。
ArcGIS對地理坐標系的定義
ArcGIS地理坐標系中的類是GeographicCoordinateSystemClass類，看下該類的主要接口IGeographicCoordinateSystem，主要的定義代碼如下：
//角度單位 IAngularUnit CoordinateUnit { get; } //基准面 IDatum Datum { get; } //本初子午線定義 IPrimeMeridian PrimeMeridian { get; }
基准面接口為：IDatum，代碼定義如下：
ISpheroid Spheroid { get; }
Spheroid是橢球體，定義如下：
//橢球體扁率 double Flattening { get; } //長半軸值 double SemiMajorAxis { get; } //短半軸值 double SemiMinorAxis { get; }
在ArcGIS中定義地理坐標系的界面如下：
從界面上我們可以看出該地理坐標系是WGS84地理坐標系，使用的基准面名稱為D_WGS_1984基准面，基准面使用的橢球體為WGS_1984，橢球體的長半軸長度為6378137，橢球體的短半軸長度為6356752.3142451793，扁率為198.25722356300003，因為長半軸、短半軸和扁率只要知道兩個值就能知道第三個，所以只有兩個可設置。下面角度單位設置的時度，每單位的弧度值是0.017453292519943295，因為π=3.1415925...=180度，所以設置的這個值0.017453292519943295*180應該等於π。
下面就是設置本初子午線，設置為格林尼治，也就是經度0度0分0秒。
下面截圖是地理坐標系beijing54的定義：
該坐標系的基准面是D_beijing_1954，該基准面使用的橢球體為krasovsky_1940，也就是克拉索夫斯基_1940。
下面是xian80的定義：
橢球體使用的時西安80，西安80的長半軸和短半軸基本上和GRS（1975）差不多。
投影坐標系
為什么會有投影的概念呢？
因為地球是一個立體的球，而我們在二維地圖上展示或者打印出圖的都是平面的，怎么把一個球上面的曲面的東西展示到一個二維平面上。如果按照把地球沿着本初子午線切開，然后平鋪，因為地球是從赤道到兩級地球的沿着緯線的周長是越來越短的，如果沿赤道展開，兩級肯定是展不開的，並且有裂縫。或者赤道有褶皺才行。我們在看二維地圖的時候，有的經緯網是橫平豎直的，有的卻是向兩極彎曲的，出現這種情況就是投影的不同導致的。
按變形性質地圖投影可以分三類：等角投影、等積投影和任意投影。
國內外常用的投影有：
●通用橫軸墨卡托投影（UNIVERSAL-TRANSVRSE-MERCATOL，UTM）
該投影為橫軸等角割圓柱投影，該投影將地球分為60個投影帶，每帶經度差為6度，已被許多國家作為地形圖的數字基礎。一般能從南緯80度到北緯84度的范圍內使用該投影，對於兩極地區則采用UPS（通用球面極）投影。
涉及的參數為：向東平移值、向北平移值、中線子午線經度、投影原點緯度、坐標單位、比例尺（若用實地坐標，該值為1）、橢球參數等。
●亞爾伯斯等積圓錐投影（Albers）
即為雙標准緯線投影，也即正軸等面積割圓錐投影。該投影經緯網的經線為輻射直線，緯線為同心圓圓弧。Albers投影的應用在編制一些行政區划圖、人口地圖、地勢圖等方面應用較廣。如中國地勢圖，即是以第一標准緯度Q1=25度，第二標准緯度Q2=45度的該投影；水利部水利信息中心建立的全國1：25萬水利空間數據庫采用的即為該投影（中央子午線經度110度，Q1=25度，Q2=47度）。
涉及的參數為：向東平移值、向北平移值、中線子午線經度、第一標准緯度、第二標准緯度、投影原點緯度、坐標單位、比例尺（若用實地坐標，該值為1）、橢球參數等。
●蘭伯特等角圓錐投影（Lambert-Conformal-Conic）
也稱蘭伯特正形圓錐投影，該投影的微分圓投影后仍為圓形。經線為輻射直線，緯線為同心圓圓弧。指定兩條標准緯度線Q1、Q2，在這兩條緯度線上沒有長度變形，此種投影也叫做等角割圓錐投影，常用來編制中、小比例尺地圖。等角圓錐投影有廣泛的應用，特別適宜於作為中緯度處沿緯線伸展的制圖區域之投影，我國的分省地圖即為Q1=25度，Q2=45度的蘭伯特等角圓錐投影。1962年以后，1：100地圖采用了等角圓錐投影（南緯度80度，北緯度84度），極區附近，采用等角方位（極球面投影）。
涉及的參數為：向東平移值、向北平移值、中線子午線經度、第一標准緯度、第二標准緯度、投影原點緯度、坐標單位、比例尺（若用實地坐標，該值為1）、橢球參數等。
●墨卡托投影（Mercator）
等角正圓柱投影也稱墨卡托投影，經緯線投影為互相正交的平行直線。該投影在航海、航空應用很廣。使用該投影，等角航線在地圖上是一條直線。值得注意的是，等角航線是球面上兩點間對所有經線保持等方位角的特殊曲線，不是兩點間的最近路線，是一條以極點為漸近點的螺旋曲線。
涉及的參數為：向東平移值、向北平移值、中線子午線經度、無變形緯度、坐標單位、比例尺（若用實地坐標，該值為1）、橢球參數等。
●高斯-克呂格投影（Gauss-Kruger）
該投影是等角橫切橢圓柱投影，由德國數學家高斯提出，后經克呂格擴充並推算出計算公式，故稱為高斯-克呂格投影，簡稱高斯投影。該投影以中央經線和赤道投影后為坐標軸，中央經線和赤道交點為坐標原點，縱坐標由坐標原點向北為正，向南為負，規定為X軸，橫坐標從中央經線起算，向東為正，向西為負，規定為Y軸。所以，高斯-克呂格坐標系的X、Y軸正好對應一般GIS軟件坐標系中的Y和X。
為了控制變形，本投影采用分帶的辦法，我國1：2.5萬——1：50萬地形圖均采用6度分帶，1：1萬及更大比例尺地形圖采用3度分帶，以保證必要的精度。6度分帶從格林威治零度經線起，每6度分為一個投影帶，該投影將地區划分為60個投影帶，已被許多國家作為地形圖的數字基礎。一般從南緯度80到北緯度84度的范圍內使用該投影。3度分帶法從東經1度30分算起，每3度為一帶。這樣分帶的方法在於使6度帶的中央經線均為3度帶的中央經線；在高斯克呂格6度分帶中中國處於第13帶到23帶共12個帶之間；在3度分帶中，中國處於24帶到45帶共22帶之間。
對於兩極地區則采用UPS投影（通用球面極投影）。高斯-克呂格投影通常投影帶為6度范圍或3度，超過了6度后變形會增大。一般常用來制作中、大比例尺的地圖投影，如1：50萬、1：10萬、1：5萬、1：1萬等。
由於高斯-克呂格投影每一個投影帶的坐標都是對本帶坐標原點的相對值，所以各帶的坐標完全相同，使用時只需要一個帶號即可。
在高斯坐標系中，為了避免橫坐標Y有負值，將其起算原點向西移動500公里，即對橫坐標Y值按代數法加上500000米。此外，可以在計算出米的和數前面加上帶號，以便識別該點位於何帶。高斯-克呂格坐標系的橫坐標最多為6位，縱向最多為7位。若橫向為8位，則前2位為帶號。
涉及的參數為：向東平移值、向北平移值、中線子午線經度、投影原點緯度、坐標單位、比例尺（若用實地坐標，該值則為1）、橢球參數等。
●普通多圓錐投影（Polyconic）
普通多圓錐投影的坐標為對稱於中央經線和赤道的曲線，緯線投影為同軸圓圓弧，弧心位於中央直徑線上，中央經線是直線，M=1。該投影適用於沿中央經線延伸的區域（15度范圍內）。常用於編制中、小比例尺的數字基礎。該投影在美國被廣泛應用，是1：100萬地圖投影的基礎。
涉及的參數為：向東平移值、向北平移值、中線子午線經度、投影原點緯度、坐標單位、比例尺（若用實地坐標，該值則為1）、橢球參數等。
國內外常采用的投影還有正軸等距離割圓錐投影、橫向墨卡托投影（Transverse-Mercator）、等角方位投影（Azimuthal-Conformal）、蘭伯特等積方位投影（Lambert-Azimuthal-Equal-Area）、波斯托等距離方位投影（Azimuthal-Equidistant）、心射切面投影或球心投影、正射方位投影、垂直近距離方位投影或外心投影（Vertical-Near-Side-Perspective）、正弦曲線等面積偽圓柱投影（Simusoidal）、等矩形圓柱投影（Equidistant-Cylindrical）、米勒圓柱投影（Miller-Cylindrical）、斜軸墨卡托投影、兩極球極平面投影、范·德·格林頓投影（Van-Der-Grinten-I）。
一個地理坐標系可以使用不用的投影，例如現在中國常用xian80坐標系可以有Gauss_Kruger投影、Albers投影。
例如全球地圖，在WGS84下，使用Web墨卡托的投影顯示如下：
web墨卡托的顯示參數
web墨卡托地圖顯示效果
xian80 Albers投影坐標系參數
