La forme de la Terre est due à différentes forces. Parmi celles-ci, les plus importantes à l’échelle planétaire sont la gravité et la force centrifuge. La résultante de ces deux forces donne l’orientation du fil à plomb pour un point donné sur la Terre. C’est l’orientation de la verticale locale. Une surface continue perpendiculaire à la verticale locale est une surface équipotentielle. Parmi les surfaces équipotentielles on peut en définir une spécifique : le géoïde. Le géoïde a une surface correspondant au niveau moyen des mers, se prolongeant sous les terres émergées. Ce géoïde diffère de la surface terrestre réelle, puisque celle-ci a été modelée par différents facteurs géodynamiques.

Afin de pouvoir décrire sa position sur la Terre, l’homme a besoin d’une surface simple, qu’il peut décrire mathématiquement. Depuis le 18ième siècle, des mesures existent prouvant que la Terre ne ressemble pas à une sphère, mais est aplatie aux pôles. La description mathématique appropriée est l’ellipsoïde de révolution. Un ellipsoïde de révolution est engendré par la rotation d’une ellipse autour d’un de ses axes. En décrivant l’ellipse et l’axe de rotation, on décrit l’ellipsoïde. L’ellipsoïde de la Terre a comme axe de rotation le petit axe d’une ellipse dont les dimensions sont fixées lors de congrès internationaux. L’avance technologique permet de définir de mieux en mieux ces dimensions.

En fonction du pays ou du continent dans lequel on travaille, on choisit un datum géodésique qui minimalise l’écart avec le géoïde. Les datums géodésiques sont à chaque fois différents et leur centre ne coïncide pas avec le centre de masse de la Terre.

Suite au développement des mesures spatiales, il a été nécessaire de définir des systèmes de référence géocentriques globaux. Le système le plus utilisé est le WGS84 (World Geodetic System 1984). C’est le système de référence utilisé pour le GPS.

Une fois le datum défini, on peut décrire un point sur la surface de la terre de deux manières : soit en employant des coordonnées cartésiennes géocentriques, soit en utilisant des coordonnées géographiques.

Les cartographes et navigateurs ont depuis longtemps pris l’habitude de localiser un point à l’aide de coordonnées géographiques, exprimées en longitude l et latitude j.
La longitude l est l’angle dièdre formé par le méridien d’un point avec le méridien de Greenwich et compté à partir de ce méridien original, positivement vers l’ouest et négativement vers l’est.
La latitude j d’un point est l’angle formé par la verticale du lieu avec le plan de l’équateur. Les latitudes sont comptées à partir de l’équateur, positivement vers le nord et négativement vers le sud.

La longitude et la latitude permettent de définir un point sur l’ellipsoïde. Pour situer un point arbitraire, il faut aussi définir sa position par un troisième paramètre appelé la hauteur ellipsoïdale h.

On peut aussi décrire la localisation d’un point par ses coordonnées cartésiennes géocentriques. Un tel système de positionnement localise les points en X, Y et Z avec comme origine le centre de l’ellipsoïde.