平面上的坐標系
地理坐標是一種球面坐標。由於地球表面是不可展開的曲面，也就是說曲面上的各點不能直接表示在平面上，因此必須運用地圖投影的方法，建立地球表面和平面上點的函數關系，使地球表面上任一點由地理坐標（φ、λ）確定的點，在平面上必有一個與它相對應的點，平面上任一點的位置可以用極坐標或直角坐標表示。
平面直角坐標系的建立
在平面上選一點O為直角坐標原點，過該點O作相互垂直的兩軸X’OX和Y’OY而建立平面直角坐標系，如圖5所示。
直角坐標系中，規定OX、OY方向為正值，OX、OY方向為負值，因此在坐標系中的一個已知點P，它的位置便可由該點對OX與OY軸的垂線長度唯一地確定，即x=AP，y=BP，通常記為P(x，y)。
平面極坐標系（Polar Coordinate）的建立
圖4-5：平面直角坐標系和極坐標系
如圖5所示，設O’為極坐標原點，O’O為極軸，P是坐標系中的一個點，則O’P稱為極距，用符號ρ表示，即ρ=O’P。∠OO’P為極角，用符號δ表示，則∠OO’P=δ。極角δ由極軸起算，按逆時針方向為正，順時針方向為負。
極坐標與平面直角坐標之間可建立一定的關系式。由圖5可知，直角坐標的x軸與極軸重合，二坐標系原點間距離OO’用Q表示，則有：
X=Q–ρcosδ
Y=ρsinδ
直角坐標系的平移和旋轉
坐標系平移
如圖1所示，坐標系XOY與坐標系X’O’Y’相應的坐標軸彼此平行，並且具有相同的正向。坐標系X’O’Y’是由坐標系XOY平行移動而得到的。設P點在坐標系XOY中的坐標為(x，y)，在X’O’Y’中坐標為(x’，y’)，而(a，b)是O’在坐標系XOY中的坐標，於是：
x=x’+a
y=y’+b
上式即一點在坐標系平移前后之坐標關系式。
圖1：坐標平移
坐標系旋轉
如圖2所示，如坐標系XOY與坐標系X’O’Y’的原點重合，且對應的兩坐標軸夾角為θ，坐標系X’O’Y’是由坐標系XOY以O為中心逆時針旋轉θ角后得到的。
x=x’cosθ+y’sinθ
y=y’cosθ-x’sinθ
上式即為經過旋轉θ角后的二直角坐標系中某一點坐標的關系式。
圖2：坐標旋轉
坐標系平移和旋轉
如圖3所示，坐標系X’O’Y’的原點在坐標系XOY中的坐標為a、b，X軸與X’軸之夾角為θ。可以認為坐標系X’O’Y’原是與坐標系XOY重合，后因為O’分別平移了a、b之距離，並且坐標系二坐標軸O’X’與O’Y’又相對OX與OY逆時針旋轉了θ角而得到的。
在二坐標系之間引入一個輔助坐標系X”O’Y”，使它的二坐標軸O’X”與O’Y”分別與OX、OY平行。
在X”O’Y”系中有一點P，其坐標為(x”，y”)，則由坐標系平移公式與坐標系旋轉公式可得：
x=x”+a
y=y”+b
故有
x”=x’cosθ+y’sinθ
y”=y’cosθ-x’sinθ
即
x=x’cosθ+y’sinθ+a
y”=y’cosθ-x’sinθ+b
上式即坐標系平移和旋轉后新、舊坐標系中某一點坐標之關系式。
地圖投影的概念
在數學中，投影（Project）的含義是指建立兩個點集間一一對應的映射關系。同樣，在地圖學中，地圖投影就是指建立地球表面上的點與投影平面上點之間的一一對應關系。地圖投影的基本問題就是利用一定的數學法則把地球表面上的經緯線網表示到平面上。凡是地理信息系統就必然要考慮到地圖投影，地圖投影的使用保證了空間信息在地域上的聯系和完整性，在各類地理信息系統的建立過程中，選擇適當的地圖投影系統是首先要考慮的問題。由於地球橢球體表面是曲面，而地圖通常是要繪制在平面圖紙上，因此制圖時首先要把曲面展為平面，然而球面是個不可展的曲面，即把它直接展為平面時，不可能不發生破裂或褶皺。若用這種具有破裂或褶皺的平面繪制地圖，顯然是不實際的，所以必須采用特殊的方法將曲面展開，使其成為沒有破裂或褶皺的平面。