大家都知道地球的外表是起伏變化的，因為地球上有高山、平原、峽谷等。

　　我們的地球

　　地表約71%的面積是海洋，29%的面積是陸地，陸地幾乎是被海洋包圍和分割。

　　如果將平均海水面延伸到大陸及島嶼內(nèi)部，構成閉合曲面，這個閉合曲面稱為大地水準面。

　　那么大地水準面是球面嗎？

　　顯然不是的！

　　早在17世紀，牛頓在研究地球自轉(zhuǎn)的離心力對地球形態(tài)的影響時，推斷地球形狀不是標準球體，而是一個赤道處略為隆起兩極略為扁平的橢球體。

　　同時代的法國天文學家卡西尼也認為地球是一個橢球體，但是他認為是赤道扁平兩極隆起。

牛頓

卡西尼

　　18世紀，法國科學院派出的測量隊到北歐和南美洲等地進行弧度測量，證實地球確實為橢球體，赤道隆起兩極扁平。證明牛頓是對的！

　　既然這樣，那么大地水準面就是光滑橢球面？

　　也不是！

　　經(jīng)過長時間的觀測發(fā)現(xiàn)，大地水準面實際上是這樣的。

　　地球的大地水準面

　　大地水準面是一個不規(guī)則的曲面。

　　下圖是大地水準面到參考橢球面法線方向距離的全球高程異常圖（基于EGM96模型）。

　　正值表示當?shù)卮蟮厮疁拭嬖跈E球面之上，負值表示當?shù)卮蟮厮疁拭嬖跈E球面之下。

　　造成大地水準面起伏變化的原因是地球內(nèi)部物質(zhì)密度分布的不均勻性。

　　地球內(nèi)部物質(zhì)分布的不均勻性，引起重力大小和方向產(chǎn)生不規(guī)則的變化，導致處處與重力方向正交的大地水準面也會有微小的起伏變化。

　　大地水準面是一個不規(guī)則的曲面，不能直接用數(shù)學公式表述。這怎么進行大地測量？

　　既然大地水準面近似一個橢球面，那就構建一個橢球體，去擬合不規(guī)則的大地水準面。

　　早期科學家主要是基于本國水準面數(shù)據(jù)去創(chuàng)建橢球體模型，使其與本國的大地水準面擬合的誤差最小。

　　下表是歷史上主要的橢球體模型：

　　在1952年以前，中國使用的是美國的海福特（Hayford）橢球體。

　　北京54坐標系

　　1952年后，中國向蘇聯(lián)“老大哥”學習，采用蘇聯(lián)的克拉索夫斯基橢球體建立大地坐標系，這個參考橢球體的坐標原點在前蘇聯(lián)玻爾可夫天文臺，中國于1954年在國內(nèi)測定了由玻爾可夫天文臺延伸到北京的大地原點，完成橢球體的定位。因此叫1954年北京坐標系，簡稱北京54（BJ-54）。

　　采用青島驗潮站1950-1956年驗潮資料確定的黃海平均海水面為“全國統(tǒng)一高程基準面”，這就是所說的1956年黃海高程。

青島的黃海邊的水準零點

　　40年前的地學圖件基本上用的是北京54坐標系。

　　西安80坐標系

　　北京54坐標系在建國初期的經(jīng)濟建設中發(fā)揮重要作用，但是北京54坐標系本身存在缺陷。首先因為其采用的克拉索夫斯基橢球體主要是基于蘇聯(lián)境內(nèi)大地水準面數(shù)據(jù)建立的，而蘇聯(lián)地處靠近極地的高緯度地區(qū)。沒有采用中國的數(shù)據(jù)，該坐標系統(tǒng)在中國范圍內(nèi)擬合得不好，誤差較大，在中國部分地區(qū)的高程異常誤差達到60米以上。還有就是該大地坐標系的坐標原點不在國內(nèi)，北京大地原點是由蘇聯(lián)境內(nèi)的坐標原點推算得到的。另外就是克拉索夫斯基橢球體由于建立時間早，精度低，越來越不能滿足社會主義建設的需求。

　　1975年前后，國家在陜西涇陽縣永樂鎮(zhèn)建立中國自己的大地原點，該地點位于中國大陸的中部，投影誤差較小。

中國大地坐標原點

　　與此同時，國際上許多國家合作，采用全球的大地水準面數(shù)據(jù)，建立起國際性的橢球體模型，如1975年的國際橢球體等。

　　隨著中國與西方國家關系改善，1978年4月在西安召開全國天文大地網(wǎng)平差會議，確定重新定位，建立我國新的坐標系，即1980年國家大地坐標系。該大地坐標系采用地球橢球基本參數(shù)為1975年國際大地測量與地球物理聯(lián)合會（IUGG）第十六屆大會推薦國際橢球體的數(shù)據(jù)，即IAG 75地球橢球體。坐標原點為中國在涇陽縣永樂鎮(zhèn)建立的大地原點，因為距離西安市不遠，因此該坐標系統(tǒng)又稱為西安80坐標系，簡稱西安80。

　　基準面采用青島大港驗潮站1952-1979年確定的黃海平均海水面（即1985國家高程基準）。

　　WGS-84坐標系

　　隨著經(jīng)濟的發(fā)展，對坐標系的精度要求越來越高，同時科技的進步為建立精度更高的坐標系統(tǒng)提供了條件。

　　20世紀80年代初，大地測量學界和美國國防部等機構基于衛(wèi)星雷達測高等數(shù)據(jù)、結合地球重力異常、偏轉(zhuǎn)、多普勒效應等影響因素建立一套新的坐標系，該坐標系屬于地心坐標系，坐標原點位于地心，不在地表。其地心空間直角坐標系的Z軸指向國際時間服務機構（BIH）1984.0定義的協(xié)議地球極（CTP）方向，X軸指向BIH 1984.0的零子午面和CTP赤道的交點，X軸、Y軸與Z軸相互垂直構成右手正交坐標系。該坐標系統(tǒng)稱為1984年世界大地坐標系（World Geodetic System一1984 Coordinate System），簡稱WGS-84坐標系。WGS-84坐標系最初橢球體參數(shù)采用1980國際橢球體，后來進行了一些細微改進。

　　GPS采用的是WGS-84坐標系，因此將GPS坐標數(shù)據(jù)導入到地質(zhì)圖等國內(nèi)圖件，需要進行坐標系轉(zhuǎn)換，從WGS-84坐標系轉(zhuǎn)換到1980西安等其他國內(nèi)使用的坐標系中。

　　2000國家大地坐標系

　　隨著衛(wèi)星導航技術的廣泛使用，地心坐標系成為趨勢，生產(chǎn)生活中也對地心坐標系提出迫切需求。而西安80坐標系由于建立的時間較早，沒有采用地心坐標系，原點在地表，越來越不能滿足要求。

　　2008年7月1日中國開始啟用2000國家大地坐標系（China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000），該坐標系是我國自主建立、結合中國實際國情的地心坐標系。實現(xiàn)了由地表原點到地心原點、由二維到三維、由低精度到高精度的轉(zhuǎn)變，適應現(xiàn)代空間技術發(fā)展趨勢，滿足我國北斗全球定位系統(tǒng)、全球航天遙感、海洋監(jiān)測及地方性測繪服務等對確定一個與國際銜接的全球性三維大地坐標參考基準的迫切需求。

　　由于Z軸由原點指向歷元2000.0的地球極（CTP）方向，X軸由原點指向歷元（Terrestrial Time）2000.0的零子午面與地球赤道的交點，X軸、Y軸與Z軸相互垂直構成右手正交坐標系。該坐標系稱為2000國家大地坐標系。

　　2000國家大地坐標系啟用的過渡期為10年，過渡期結束后，西安80和北京54坐標系正式退出歷史舞臺。

　　新時代，CGCS2000坐標系支撐了國家北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設與應用，成為了國家經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要基石。

北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)

　　現(xiàn)在你明白了嗎？我國已經(jīng)啟用了2000國家大地坐標系，在這個地心坐標系上沒有地表原點，而根據(jù)之前的坐標系確定，中國的大地原點還在陜西涇陽縣永樂鎮(zhèn)。