空間參考（ Spatial Reference）是 GIS 數(shù)據(jù)的骨骼框架，能夠?qū)⑽覀兊臄?shù)據(jù)定位到相應(yīng)的位置，為地圖中的每一點(diǎn)提供準(zhǔn)確的坐標(biāo)。 在同一個(gè)地圖上顯示的地圖數(shù)據(jù)的空間參考必須是一致的，如果兩個(gè)圖層的空間參考不一致，往往會(huì)導(dǎo)致兩幅地圖無法正確拼合，因此開發(fā)一個(gè) GIS系統(tǒng)時(shí)，為數(shù)據(jù)選擇正確的空間參考非常重要。
地理坐標(biāo)系：為球面坐標(biāo)。參考平面地是橢球面，坐標(biāo)單位：經(jīng)緯度；
投影坐標(biāo)系：為平面坐標(biāo)。參考平面地是水平面，坐標(biāo)單位：米、千米等；
地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到投影坐標(biāo)的過程可理解為投影。（投影：將不規(guī)則的地球曲面轉(zhuǎn)換為平面）
（重點(diǎn)，地理坐標(biāo)系、投影坐標(biāo)系，當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系），展示不同坐標(biāo)系下顯示效果
1、坐標(biāo)系三級逼近
1.1、大地水準(zhǔn)面
地球的自然表面有高山也有洼地，是崎嶇不平的，我們要使用數(shù)學(xué)法則來描述他，就必須找到一個(gè)相對規(guī)則的數(shù)學(xué)面。大地水準(zhǔn)面是地球表面的第一級逼近。假設(shè)當(dāng)海水處于完全靜止的平衡狀態(tài)時(shí)，從海平面延伸到所有大陸下部，而與地球重力方向處處正交的一個(gè)連續(xù)、閉合的曲面，這就是大地水準(zhǔn)面。
它是重力等位面，即物體沿該面運(yùn)動(dòng)時(shí)，重力不做功（如水在這個(gè)面上是不會(huì)流動(dòng)的）。因?yàn)榈厍虻馁|(zhì)量并非在各個(gè)點(diǎn)均勻分布，因此重力的方向也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，所以大地水準(zhǔn)面的形狀是不規(guī)則的，如下圖：
1.2、地球橢球體
大地水準(zhǔn)面可以近似成一個(gè)規(guī)則成橢球體，但并不是完全規(guī)則，其形狀接近一個(gè)扁率極小的橢圓繞短軸旋轉(zhuǎn)所形成的規(guī)則橢球體，這個(gè)橢球體稱為地球橢球體。它是地球的第二級逼近。
由定義可以知大地水準(zhǔn)面的形狀也是不規(guī)則的，仍不能用簡單的數(shù)學(xué)公式表示，為了測量成果的計(jì)算和制圖的需要，人們選用一個(gè)同大地水準(zhǔn)面相近的可以用數(shù)學(xué)方法來表達(dá)的橢球體來代替，簡稱地球橢球體，它是一個(gè)規(guī)則的曲面，是測量和制圖的基礎(chǔ)，因地球橢球體是人們選定的跟大地水準(zhǔn)面很接近的規(guī)則的曲面，所以地球橢球體就可以有多個(gè)，地球橢球體是用長半軸、短半軸和扁率來表示的。
1.3、基準(zhǔn)面
確定了一個(gè)規(guī)則的橢球表面以后，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)還有一個(gè)問題，參考橢球體是對地球的抽象，因此其并不能去地球表面完全重合，在設(shè)置參考橢球體的時(shí)候必然會(huì)出現(xiàn)有的地方貼近的好（參考橢球體與地球表面位置接近），有地地方貼近的不好的問題，因此這里還需要一個(gè)大地基準(zhǔn)面來控制參考橢球和地球的相對位置。 這是地球表面的第三級逼近。
基準(zhǔn)面是在特定區(qū)域內(nèi)與地球表面極為吻合的橢球體。橢球體表面上的點(diǎn)與地球表面上的特定位置相匹配， 也就是對橢球體進(jìn)行定位， 該點(diǎn)也被稱作基準(zhǔn)面的原點(diǎn)。原點(diǎn)的坐標(biāo)是固定的，所有其他點(diǎn)由其計(jì)算獲得。
基準(zhǔn)面的坐標(biāo)系原點(diǎn)往往距地心有一定偏移(有的也在地心， 如 WGS1984) ， 如西安 80 的基準(zhǔn)面和北京54 的基準(zhǔn)面. 因?yàn)闄E球體通過定位以便能更好的擬合不同的地區(qū)， 所以同一個(gè)橢球體可以擬合好幾個(gè)基準(zhǔn)面. 因?yàn)樵c(diǎn)不同， 所以不同的基準(zhǔn)面上， 同一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)是不相同的， 這點(diǎn)我們應(yīng)該清楚. 下面以華盛頓州貝靈厄姆市為例來說明。使用 NAD27、 NAD83 和 WGS84 以十進(jìn)制為單位比較貝靈厄姆的坐標(biāo)。顯而易見，NAD83 和 WGS84 表示的坐標(biāo)幾乎相同，但 NAD27 表示的坐標(biāo)則大不相同，這是因?yàn)樗褂玫幕鶞?zhǔn)面和旋轉(zhuǎn)橢球體對地球基本形狀的表示方式不同。
3 個(gè)不同基準(zhǔn)面時(shí)華盛頓州貝靈厄姆市的地理坐標(biāo)
根據(jù)原點(diǎn)位置和區(qū)域吻合度，有以下兩類基準(zhǔn)面：
地心基準(zhǔn)面：由衛(wèi)星數(shù)據(jù)得到，使用地球的質(zhì)心作為原點(diǎn)，使用最廣泛的是 WGS 1984。
區(qū)域基準(zhǔn)面：特定區(qū)域內(nèi)與地球表面吻合，大地原點(diǎn)是參考橢球與大地水準(zhǔn)面相切的點(diǎn)，例如Beijing54、Xian80。我們通常稱謂的Beijing54、Xian80坐標(biāo)系實(shí)際上指的是我國的兩個(gè)大地基準(zhǔn)面。
我們通常說的參心大地坐標(biāo)系和地心大地坐標(biāo)系的區(qū)別就在于此。
參心大地坐標(biāo)系：指經(jīng)過定位與定向后，地球橢球的中心不與地球質(zhì)心重合而是接近地球質(zhì)心。區(qū)域性大地坐標(biāo)系。是我國基本測圖和常規(guī)大地測量的基礎(chǔ)。如Beijing54、Xian80。
地心大地坐標(biāo)系：指經(jīng)過定位與定向后，地球橢球的中心與地球質(zhì)心重合。如CGCS2000、WGS84。
2、地理坐標(biāo)系
地理坐標(biāo)系也可稱為真實(shí)世界的坐標(biāo)系，是用于確定地物在地球上位置的坐標(biāo)系，它用經(jīng)緯度來表示地物的位置，經(jīng)度和緯度是從地心到地球表面上某點(diǎn)的測量角，通常以度或百分度為單位來測量該角度。下圖將地球顯示為具有經(jīng)度和緯度值的地球。
地理坐標(biāo)系 (GCS) 是基于基準(zhǔn)面的使用三維球面來定義地球上的位置， GCS 往往被誤稱為基準(zhǔn)面，而基準(zhǔn)面僅是 GCS 的一部分， GCS 包括角度測量單位、本初子午線和基準(zhǔn)面。（WGS84坐標(biāo)系參數(shù).png 幾個(gè)比較）
3、投影坐標(biāo)系
地圖投影：簡單的說地圖投影就是把地球表面的任意點(diǎn)，利用一定數(shù)學(xué)法則，轉(zhuǎn)換到地圖平面上的理論和方法。
墨卡托：墨卡托投影（Mercator Projection），又名“等角正軸圓柱投影”，荷蘭地圖學(xué)家墨卡托（Mercator）在1569年擬定，假設(shè)地球被圍在一個(gè)中空的圓柱里，其赤道與圓柱相接觸，然后再假想地球中心有一盞燈，把球面上的圖形投影到圓柱體上，再把圓柱體展開，這就是一幅標(biāo)準(zhǔn)緯線為零度（即赤道）的“墨卡托投影”繪制出的世界地圖。
墨卡托投影以整個(gè)世界范圍，赤道作為標(biāo)準(zhǔn)緯線，本初子午線作為中央經(jīng)線，兩者交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，向東向北為正，向西向南為負(fù)。南北極在地圖的正下、上方，而東西方向處于地圖的正右、左。
基于橢球面與球面的墨卡托投影均沒有角度變形，由每一點(diǎn)向各方向的長度比相等（比例因子為常數(shù)），因此具有沿直線方位不變的特點(diǎn)，這樣航海者只要根據(jù)直線與子午線之間的夾角即可在圖上確定航線，因此航海圖幾乎清一色采用墨卡托投影，但在陸域制圖中很少采用，因?yàn)殚L度和面積變形明顯。
通用橫軸墨卡托：UTM投影是橫軸等角割圓柱投影。此投影系統(tǒng)是美國編制世界各地軍用地圖和地球資源衛(wèi)星像片所采用的投影系統(tǒng).
UTM投影全稱為“通用橫軸墨卡托投影”UNIVERSALTRANSVERSEMERCATOLPROJECTION，是一種“等角橫軸割圓柱投影”，橢圓柱割地球于南緯80度、北緯84度兩條等高圈，投影后兩條相割的經(jīng)線上沒有變形，而中央經(jīng)線上長度比0.9996。UTM投影是為了全球戰(zhàn)爭需要?jiǎng)?chuàng)建的，美國于1948年完成這種通用投影系統(tǒng)的計(jì)算。與高斯-克呂格投影相似，該投影角度沒有變形，中央經(jīng)線為直線，且為投影的對稱軸，中央經(jīng)線的比例因子取0.9996是為了保證離中央經(jīng)線左右約330km處有兩條不失真的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)線。
高斯-克呂格：在采用分帶的投影坐標(biāo)系統(tǒng)中，我們最常用的是高斯-克呂格投影，它是由德國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、天文學(xué)家高斯（Carl Friedrich Ｇauss，1777—1855）于十九世紀(jì)二十年代擬定，后經(jīng)德國大地測量學(xué)家克呂格（Johannes Kruger，1857～1928）于1912年對投影公式加以補(bǔ)充，故稱為高斯-克呂格投影。它是橫軸墨卡托投影的一個(gè)變種，高斯-克呂格只是它通俗的名稱，比較專業(yè)的名稱叫做橫軸等角切橢圓柱投影。
設(shè)想用一個(gè)圓柱橫切于球面上投影帶的中央經(jīng)線，按照投影帶中央經(jīng)線投影為直線且長度不變和赤道投影為直線的條件，將中央經(jīng)線兩側(cè)一定經(jīng)差范圍內(nèi)的球面正形投影于圓柱面。然后將圓柱面沿過南北極的母線剪開展平，即獲高斯—克呂格投影平面。高斯—克呂格投影后，除中央經(jīng)線和赤道為直線外，其他經(jīng)線均為對稱于中央經(jīng)線的曲線。高斯-克呂格投影沒有角度變形，在長度和面積上變形也很小，中央經(jīng)線無變形，自中央經(jīng)線向投影帶邊緣，變形逐漸增加，變形最大處在投影帶內(nèi)赤道的兩端。下圖是高斯—克呂格投影方式示意圖。
在我國，1:1萬比例尺地形圖采用高斯-克呂格3度分帶投影坐標(biāo)，而1:2.5萬—1:50萬比例尺的地形圖采用的是6度分帶。一般，在我國標(biāo)準(zhǔn)地形圖上，X坐標(biāo)的前兩位代表所在分度帶帶號，其余的表示X坐標(biāo)，通常帶號的字體要比坐標(biāo)的字體大。
Web 墨卡托：Web 墨卡托投影在 2005 年發(fā)布的 Google 地圖中首次使用，考慮到相互之間的平臺兼容，隨后跟進(jìn)的微軟 Bing Maps、在線地圖服務(wù)公司 Mapquest Maps、以及雅虎的 Yahoo Maps 紛紛采用了。ESRI 稱其為“WGS 1984 Web 墨卡托輔助球投影”， EPSG稱其為“公共可視化偽墨卡托投影”。
Web 墨卡托投影采用基于橢球面的球面墨卡托投影公式（相當(dāng)于橢球面墨卡托投影近似公式）
投影坐標(biāo)系是基于地理坐標(biāo)系的，它使用基于 X， Y 值的坐標(biāo)系統(tǒng)來描述地球上某個(gè)點(diǎn)所處的位置，可以這樣認(rèn)為投影坐標(biāo)系=地理坐標(biāo)系(如：北京 54、西安 80、 WGS84)+投影方法(如：高斯－克呂格、 Lambert投影、 Mercator 投影)+線性單位。下圖來自 ArcGIS 說明了投影坐標(biāo)系的組成：（WGS84坐標(biāo)系投影.png 等幾個(gè)比較）
4、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換
分兩種轉(zhuǎn)換：（可以直接在ArcGIS里面展示沒有投影的數(shù)據(jù)，切換不同的投影）
同一個(gè)基準(zhǔn)面的轉(zhuǎn)換
對于同一基準(zhǔn)面，我們可以肯定一點(diǎn)就是同一位置經(jīng)緯度坐標(biāo)是一樣的，而不同的就是計(jì)算成平面坐標(biāo)的時(shí)候可能有所不同，因?yàn)樗惴ú灰粯?，在這里我只是將經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)成平面的坐標(biāo)。
例如：坐標(biāo)系是西安80的地理坐標(biāo)系沒有投影，轉(zhuǎn)換為Xian1980_3_Degree_GK_Zone_34（3度帶 34分帶）的投影坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，這個(gè)就是經(jīng)緯度轉(zhuǎn)平面坐標(biāo)，可以互相轉(zhuǎn)換。
不同基準(zhǔn)面的轉(zhuǎn)換
地球上同一位置的坐標(biāo)在不同的基準(zhǔn)面上是不一樣的，而基準(zhǔn)面是構(gòu)成坐標(biāo)系的一個(gè)部分，因?yàn)榛鶞?zhǔn)面在定位的時(shí)候牽扯到了相對地心的平移或旋轉(zhuǎn)等，所以對于這樣的轉(zhuǎn)換我們無法直接進(jìn)行，需要一個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)，而這些參數(shù)也是基于不同的模型的，常用的有三參數(shù)和 7 參數(shù)， 三參數(shù)是比較簡單的也是比較容易理解的，三參數(shù)是在兩個(gè)基準(zhǔn)面之間進(jìn)行了 X， Y， Z 軸的平移，如果知道了這三個(gè)平移的參數(shù) 外加個(gè)基準(zhǔn)面上的點(diǎn)，那么另外一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)就是，對于 7 參數(shù)，我們知道了平移三參數(shù) 旋轉(zhuǎn)三參數(shù) 以及比例因子 外加一個(gè)基準(zhǔn)面上的坐標(biāo)就可按照下面的公式求出另外一個(gè)基準(zhǔn)面上的坐標(biāo)
北京54全國80及WGS84坐標(biāo)系的相互轉(zhuǎn)換
這三個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)是當(dāng)前國內(nèi)較為常用的，它們均采用不同的橢球基準(zhǔn)。其中北京54坐標(biāo)系，屬參心坐標(biāo)系，大地原點(diǎn)在蘇聯(lián)的普而科沃，長軸6378245m，短軸6356863，扁率1/298.3；西安80坐標(biāo)系，屬參心坐標(biāo)系，大地原點(diǎn)在陜西省徑陽縣永樂鎮(zhèn)，長軸6378140m，短軸6356755，扁率1/298.25722101；WGS84坐標(biāo)系為地心坐標(biāo)系，長軸6378137.000m，短軸6356752.314，扁率1/298.257223563。由于采用不一樣的橢球基準(zhǔn)，所以轉(zhuǎn)換是不嚴(yán)密的。全國各個(gè)地方的轉(zhuǎn)換參數(shù)也是不一致的。對于這樣的轉(zhuǎn)換一般選用七參數(shù)法，即X平移，Y平移，Z平移，X旋轉(zhuǎn)，Y旋轉(zhuǎn)，Z旋轉(zhuǎn)，尺度變化K。如果區(qū)域范圍不大，最遠(yuǎn)點(diǎn)間的距離小于30Km(經(jīng)驗(yàn)值)，這可以用三參數(shù)，即X平移，Y平移，Z平移，而將X旋轉(zhuǎn)，Y旋轉(zhuǎn)，Z旋轉(zhuǎn)，尺度變化K視為0，所以三參數(shù)只是七參數(shù)的一種特例。要求得七參數(shù)就需要在一個(gè)地區(qū)至少3個(gè)重合點(diǎn)（即為在兩坐標(biāo)系中坐標(biāo)均為已知的點(diǎn)，采用布爾莎模型進(jìn)行求解。一般我們將GPS測量的WGS84坐標(biāo)（X84,Y84,Z84）通過空間轉(zhuǎn)換模型，將其轉(zhuǎn)換為地方坐標(biāo)系的空間直角坐標(biāo)例如北京54（X54,Y54,Z54）。其布爾莎7參數(shù)轉(zhuǎn)換模型為
WKID、EPSG、SRID、WKD：大部分都是相同的，也有一些個(gè)別的是獨(dú)有的；
平時(shí)常用的地理坐標(biāo)系、投影坐標(biāo)系都是一樣的
Geographic Coordinate System 地理坐標(biāo)
4214 GCS_Beijing_1954
4326 GCS_WGS_1984
4490 GCS_China_Geodetic_Coordinate_System_2000
4555 GCS_New_Beijing
4610 GCS_Xian_1980