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坐标轴相互正交的坐标系被称为笛卡儿坐标系。三维笛卡儿坐标系也被称为空间直角坐标系。

在空间直角坐标系下, 点的坐标可用该点所对应的矢径在三个坐标轴上的投影长度来表示。只要确定了原点、三个坐标轴的指向和尺度, 就定义了一个在三维空间中描述点的位置的空间直角坐标系。

在测量应用中, 常将空间直角坐标系的原点选在地球参考椭球的中心, Z 轴与地球自转轴平行并指向参考椭球的北极, X 轴指向参考椭球的本初( 起始) 子午线, Y 轴与 X 轴和 Z 轴相互垂直最终构成一个右手系( 见下图 ) 。

点在此坐标系下的位置由 X、Y、Z 坐标( 该点在此坐标系的各个坐标轴上的投影) 所定义。当原点位于地球质心时, 这样定义的坐标系又被称为地心系。否则, 就被称为参心系。

无论所采用的椭球是否将地球质心作为中心, 空间直角坐标系中心的实现都非常重要。对于全球参照系, 通常将地球质心作为中心。另外, 不同空间直角坐标系的 Z 轴指向也可以不同。

在空间直角坐标系中, 数学公式的表达较为简单, 不像大地坐标系那样需要球面几何的知识。但是, 在空间直角坐标系中, 地球表面上位置间的相互关系不直观, 并且没有明确的高程概念。