W zadaniach geodezyjnych dotyczących powierzchni odniesienia stosowane są trzy różne powierzchnie (figury) odniesienia, które w sposób przybliżony ujmują Ziemię. Są to:
- naturalna i fizyczna powierzchnia Ziemi;
- powierzchnia elipsoidy obrotowej;
- ekwipotencjalna powierzchnia zwana geoidą.
W geodezji przyjmuje się, że Ziemia ma kształt geoidy, czyli bryły geometrycznej, ograniczonej powierzchnią ekwipotencjalną, pokrywającą się z powierzchnią oceanów przy pełnej równowadze znajdujących się w nich mas wodnych. Powierzchnia ekwipotencjalna jest wszędzie pozioma, to znaczy, że w każdym jej punkcie normalna do niej pokrywa się z linią pionu. Ponieważ kształt geoidy jest zależny od kierunków linii pionu, pokrywających się z kierunkami siły ciężkości, a te z kolei zależą od przyciągającego działania mas nierównomiernie rozmieszczonych we wnętrzu Ziemi, dlatego taż kształtu geoidy nie można określić w sposób matematyczny. Jej powierzchnia nie jest regularna w sensie matematycznym i dlatego nie można jej uznać za odniesienie do pomiarów i przedstawienia ich wyników oraz obliczeń.
Najprostszą bryłą matematyczną najbardziej zbliżoną do kształtu geoidy jest elipsoida obrotowa o niewielkim spłaszczeniu.
Elipsoida obrotowa (rys.2) jest określona przez dwa parametry, w tym przynajmniej przez jeden długościowy, np. a i b lub przez pół oś a i spłaszczenie α. Parametry te muszą mieć przyjęte wartości liczbowe, które otrzymuje się na podstawie odpowiednich pomiarów geodezyjnych. Rozmiary elipsoidy odniesienia wyznacza się w drodze specjalnych, bardzo dokładnych pomiarów wykonywanych na powierzchni Ziemi, na podstawie których oblicza się długości łuków południków i równoleżników, a w rezultacie i rozmiary samej elipsoidy. W ten sposób ustalono, że elipsoida odniesienia jest nieznacznie tylko spłaszczona przy biegunie, a kształt jej jest bardzo zbliżony do kuli. Ponieważ mała oś elipsoidy jest krótsza od średnicy równika ziemskiego w przybliżeniu o 43 km, to dla szeregu prac niewymagających specjalnej dokładności Ziemię przyjmuje się za kulę, której promień wynosi około 6371 km, powierzchnia zaś około 510 mln km².
Ustalenie rozmiarów elipsoidy odniesienia (a także elipsoidy ziemskiej), której kształt byłby najbardziej zbliżony do rzeczywistego kształtu Ziemi, posiada wielkie znaczenie zarówno teoretyczne, jak i praktyczne, szczególnie przy opracowaniach dokładnych map topograficznych, wymagających rzutowania powierzchni Ziemi na powierzchnię elipsoidy. Nieścisłe ustalenie rozmiarów elipsoidy spowoduje niedokładne rzutowanie na nią, a następnie i na map, wszystkich linii i kątów, wyrażające się w niezgodności wielkości rzutowanych na mapę z wielkościami rzeczywistymi.
W wyniku licznych pomiarów i badań prowadzonych od połowy XVIII wieku nad wyznaczeniem powierzchni odniesienia dla celów kartograficznych, najbardziej przybliżonej do modelu fizycznego Ziemi, określono matematycznie jako najbardziej odpowiednią – powierzchnię elipsoidy obrotowej. Nazwy elipsoid ziemskich pochodzą od nazwisk uczonych, którzy je wyznaczyli lub systemów opracowanych w określonych latach (tab. 1).
W miarę wzrostu ilości danych do obliczania parametrów elipsoidy jej wymiary i kształt odpowiadały coraz bardziej wymiarom i kształtowi Ziemi.
Nowe możliwości dokładniejszego wyznaczenia parametrów elipsoidy ziemskiej zaistniały z chwilą wykorzystania systemów pomiarowych, instalowanych od lat sześćdziesiątych na sztucznych satelitach Ziemi. Sieć sztucznych satelitów dostarczyła coraz dokładniejszych danych grawimetrycznych i geodezyjnych, co w połączeniu z pomiarami naziemnymi pozwoliło wyznaczyć parametry elipsoidy odniesienia, które były najbardziej zbliżone do fizycznego kształtu i rozmiarów Ziemi.
Wykorzystanie sztucznych satelitów Ziemi dało nowe możliwości tworzenia układów geodezyjnych o zasięgu światowym. Na zlecenie Departamentu Obrony USA utworzono Światowy System Geodezyjny (World Geodetic System – WGS).
W systemie WGS-72 do zadań geodezyjnych wykorzystano już sieć satelitów nawigacyjnych z serii NNSS i satelitów śledzących Doppler Reference Frame. WGS-72 jest nadal stosowany w wielu zadaniach geodezyjnych.
W końcu 1973 roku Departament Obrony USA przystąpił do opracowania systemu GPS (Global Positioning System), wykorzystując do tego celu satelity serii NAVSTAR. Na podstawie licznych danych z pomiarów w systemie GPS uzyskanych w wielu punktach globu ziemskiego, zmodyfikowano układ WGS-72, tworząc nowy układ odniesienia WGS-84.
W tym układzie odniesienia elipsoida WGS-84 stanowi model Ziemi określony z punktów geodezyjnych i grawimetrycznych w wyniku pomiarów prowadzonych technologiami dostępnymi na początku 1984 r. Początek systemu (0,0,0) jest umieszczony w środku ciężkości masy Ziemi. Przyjmuje się, że oś Z prawie pokrywa się z osią obrotu Ziemi (rys.3).
