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(gòu)成閉合曲面，這個閉合曲面稱為大地水準(zhǔn)面。

　　那么大地水準(zhǔn)面是球面嗎？

　　顯然不是的！

　　早在17世紀(jì)，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(biāo)準(zhǔn)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(xué)家卡西尼也認(rèn)為地球是一個橢球體，但是他認(rèn)為是赤道扁平兩極隆起。

牛頓

卡西尼

　　18世紀(jì)，法國科學(xué)院派出的測量隊到北歐和南美洲等地進(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)面實際上是這樣的。

　　地球的大地水準(zhǔn)面

　　大地水準(zhǔn)面是一個不規(guī)則的曲面。

　　下圖是大地水準(zhǔn)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(dāng)?shù)卮蟮厮疁?zhǔn)面在橢球面之上，負(fù)值表示當(dāng)?shù)卮蟮厮疁?zhǔn)面在橢球面之下。

　　造成大地水準(zhǔn)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(dǎo)致處處與重力方向正交的大地水準(zhǔn)面也會有微小的起伏變化。

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

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

　　早期科學(xué)家主要是基于本國水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)去創(chuàng)建橢球體模型，使其與本國的大地水準(zhǔn)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(biāo)系

　　1952年后，中國向蘇聯(lián)“老大哥”學(xué)習(xí)，采用蘇聯(lián)的克拉索夫斯基橢球體建立大地坐標(biāo)系，這個參考橢球體的坐標(biāo)原點(diǎn)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(diǎn)，完成橢球體的定位。因此叫1954年北京坐標(biāo)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(zhǔn)面”，這就是所說的1956年黃海高程。

青島的黃海邊的水準(zhǔn)零點(diǎn)

　　40年前的地學(xué)圖件基本上用的是北京54坐標(biāo)系。

　　西安80坐標(biāo)系

　　北京54坐標(biāo)系在建國初期的經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮重要作用，但是北京54坐標(biāo)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(zhǔn)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(biāo)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(dá)到60米以上。還有就是該大地坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)不在國內(nèi)，北京大地原點(diǎn)是由蘇聯(lián)境內(nèi)的坐標(biāo)原點(diǎn)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(shè)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(diǎn)，該地點(diǎn)位于中國大陸的中部，投影誤差較小。

中國大地坐標(biāo)原點(diǎn)

　　與此同時，國際上許多國家合作，采用全球的大地水準(zhǔn)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(guān)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(biāo)系，即1980年國家大地坐標(biāo)系。該大地坐標(biāo)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(biāo)原點(diǎn)為中國在涇陽縣永樂鎮(zhèn)建立的大地原點(diǎn)，因為距離西安市不遠(yuǎn)，因此該坐標(biāo)系統(tǒng)又稱為西安80坐標(biāo)系，簡稱西安80。

　　基準(zhǔn)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(zhǔn)）。

　　WGS-84坐標(biāo)系

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

　　20世紀(jì)80年代初，大地測量學(xué)界和美國國防部等機(jī)構(gòu)基于衛(wèi)星雷達(dá)測高等數(shù)據(jù)、結(jié)合地球重力異常、偏轉(zhuǎn)、多普勒效應(yīng)等影響因素建立一套新的坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系屬于地心坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)位于地心，不在地表。其地心空間直角坐標(biāo)系的Z軸指向國際時間服務(wù)機(jī)構(gòu)（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(diǎn)，X軸、Y軸與Z軸相互垂直構(gòu)成右手正交坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系統(tǒng)稱為1984年世界大地坐標(biāo)系（World Geodetic System一1984 Coordinate System），簡稱WGS-84坐標(biāo)系。WGS-84坐標(biāo)系最初橢球體參數(shù)采用1980國際橢球體，后來進(jìn)行了一些細(xì)微改進(jìn)。

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

　　2000國家大地坐標(biāo)系

　　隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的廣泛使用，地心坐標(biāo)系成為趨勢，生產(chǎn)生活中也對地心坐標(biāo)系提出迫切需求。而西安80坐標(biāo)系由于建立的時間較早，沒有采用地心坐標(biāo)系，原點(diǎn)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(biāo)系（China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000），該坐標(biāo)系是我國自主建立、結(jié)合中國實際國情的地心坐標(biāo)系。實現(xiàn)了由地表原點(diǎn)到地心原點(diǎn)、由二維到三維、由低精度到高精度的轉(zhuǎn)變，適應(yīng)現(xiàn)代空間技術(shù)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(wù)等對確定一個與國際銜接的全球性三維大地坐標(biāo)參考基準(zhǔn)的迫切需求。

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

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

　　新時代，CGCS2000坐標(biāo)系支撐了國家北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用，成為了國家經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要基石。

北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)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(biāo)系，在這個地心坐標(biāo)系上沒有地表原點(diǎn)，而根據(jù)之前的坐標(biāo)系確定，中國的大地原點(diǎn)還在陜西涇陽縣永樂鎮(zhèn)。