1）地球模型
地球是一个复杂的表面，它由陆地和海洋组成，并随着地形的变化又有很大的起伏。因此，要用空间几何模型表示地球对象，首先需要对地球进行合理的描述。
大地学家通常用一种近似的方法来表示地球，即忽略掉地球上的地形，认为它是一个没有起伏的表面，并用近似于平均海水面（大地水准面）的重力面来代表它的形状。尽管如此，由于地球内部组成的差异，在一些地方同样会产生重力异常，这样用大地水准面也很难准确地描述地球上的位置。因此，人们又用一种相对简单的“地球模型”的方法来表示地球，即把地球形象地描述为一个扁椭球体，通常称为椭球体。
目前全球已定义了几百个用于描述地球的椭球体，比较典型的有克拉索夫斯基（1866）椭球、1924国际椭球以及1980大地参考椭球体（GRS80）等。由于椭球体的不同，定义椭球体的参数也不尽一致，但在当代大地测量学中主要用椭圆长半轴（a）以及扁率分母（1/f）两个参数来表示它们。
随着椭球体的提出，人们为了唯一地确定地球上对象位置的坐标信息，又提出了“大地水准”的概念，即通过大地水准与地球圆心之间的位置及方向关系来确定空间对象的位置信息。这样通过椭球体坐标系统中的经度、纬度值以及椭球体高度值便可唯一地确定某一点的坐标。
由于椭球体坐标系是一个基于经纬度值的坐标系，而地心坐标系是一个笛卡儿空间正交三维右手垂直坐标系，因此这二者之间的坐标转换也相对容易，即通过一定的数学方程使两个坐标系统的中心圆点重复，并依次计算出各对应对象的相应坐标即可。
另外，随着地域的差异，通常各国或一定区域都有它们自己独特的椭球体，以形成他们自己的地方坐标系。这些椭球体之间随着参数的不同，坐标值也有很大的差异。但在当代大地测量学中，人们已以地心坐标系的坐标圆点为各自参考椭球体的参考起算点，因此，只要选定所需的参数和对应公式，便可实现不同椭球体之间的转换。
2）地球的坐标表示
现实世界中的位置是由地点和时间组成的，为了能对地理信息进行合理的描述，人们引进了坐标系的概念按坐标几何对象的方式表示地理实体。坐标参照系通常有空间参照系、时间参照系、时空参照系、属性参照系等多种方式，它是一种按照一定的方式为某一位置、时间或其他定性定量描述赋值的体系，通常可以被认为是一种比例尺。通过参照系，便可以按照点、线、面、体的方式对现实对象进行描述。
3）空间参照系的转换接口
空间参照系是地面实体与数字几何对象之间对应的数学基础，因此应准确地描述它们，以便用户能够很好地理解地理信息。
通常在地理信息相关软件中都有有关参照系的模块，并且通过相应的参数可以设置参照系之间的转换，以便地理数据模型中的地点和时间与软件中的实体对应起来。通常地点指现实世界中的某一可以测量的地方，而时间则是某一点、某一段或某一系列在连续性上的间隔。时间和地点均可以测量到，它们的坐标也可以从具体的时空坐标系中获取，因此，通过坐标转换模块可实现地点和时间的统一。
地理信息互操作是空间信息基础设施的关键，而坐标系之间的转换是实现它们的重要技术之一，通过合理的空间信息转换标准，便可以实现地理信息模型之间的通讯。因此，坐标参照系模型也是Metadata的主要理论之一。