航空攝影測量的主題，是將地面的中心投影(航攝像片)變換為正射投影(地形圖)。這一問題可以采取許多途徑來解決。如圖解法、光學(xué)機械法(亦稱模擬法)和解析法等。在每一種方法中還可細分出許多具體方法，而每種具體方法又有其特有的理論。其中有些概念和理論是基礎(chǔ)性的，帶有某些共性，如像片的內(nèi)方位元素和外方位元素，像點同地面點的坐標關(guān)系式，共線條件方程，像對的相對定向，模型的絕對定向和立體觀測原理等。

　　1、像片的內(nèi)方位元素和外方位元素

　　內(nèi)方位元素用以確定攝影物鏡后節(jié)點(像方)同像片間的相關(guān)位置。利用它可以恢復(fù)攝影時的攝影光線束。內(nèi)方位元素系指攝影機主距 f和攝影機物鏡后節(jié)點在像平面的正投影位于框標坐標系中的坐標值(x0,у0)。這些數(shù)值通過對航攝機鑒定得出，故內(nèi)方位元素總是已知的。

　　確定攝影光線束在攝影時的空間位置的數(shù)據(jù)，叫做像片或攝影的外方位元素。外方位元素有6個數(shù)值，包括攝影中心S在某一空間直角坐標系中的3個坐標值Xs、Ys、Zs和用來確定攝影光線束在空間方位的3個角定向元素，如φ、ω、k角。這些外方位元素都是針對著某一個模型坐標系O-XYZ而定義的。模型坐標系的X坐標軸近似地位于攝影的基線方向，Z坐標軸近似地與地面點的高程方向相符。在模型坐標系內(nèi)所建立的立體模型必須在其后經(jīng)絕對定向的過程才能取得立體模型的正確方位。

　　2、像點坐標變換式

　　像點ɑ在以攝影中心S為原點，攝影主光軸z坐標軸的像空間坐標系(S-xуz)中的坐標為xɑ、уɑ、zɑ=-f。此時以S為原點再建立一個輔助坐標系(S-uvw)其中3個坐標軸u、v、w分別與模型坐標的3個坐標軸X 、Y、Z相平行。ɑ點在此輔助坐標系中的坐標設(shè)為uɑ、vɑ、wɑ，則其變換關(guān)系式為：

　　R為旋轉(zhuǎn)矩陣，它是由像空間坐標系與輔助坐標系的相應(yīng)坐標軸間夾角的余弦(稱方向余弦)組成，而這些方向余弦都是像片的3個角定向元素的函數(shù)。這是一個重要的基本公式，因為有很多理論公式或作業(yè)公式就是在此基礎(chǔ)上進一步演化得出的。例如，在解析攝影測量中有廣泛應(yīng)用的“共線條件方程式”，就是根據(jù)它的反算式作進一步演化得出。

　　3、相對定向

　　確定像片對相互位置關(guān)系的過程。模擬法相對定向是在立體測圖儀上進行。其理論基礎(chǔ)是使空間所有的同名光線都成對相交。當同名光線不相交時，則在儀器的觀測系統(tǒng)中可以觀察到上下視差(常用 Q表示)。上下視差就是兩條同名射線在空間不相交時在垂直于攝影基線方向中存在的距離。此時將投影器作微小的直線移動或轉(zhuǎn)動，就可以消除這個距離。理論上只要能夠在適當分布的 5個點處同時消除該點處的上下視差，就認為已經(jīng)獲得在這個立體像對內(nèi)全部上下視差的消除，從而完成了相對定向，得出立體模型。相對定向的解析法是在像片上量測各同名像點的像點坐標，例如對左像片為x1、у1，對右像片為x2、у2。根據(jù)同名射線共面條件的理論可以推導(dǎo)出這些量測值與相對定向元素的關(guān)系式。理論上測得5對同名像點的像點坐標值，就能夠解算出該像片對的 5個相對定向元素。同名點在左右像片上的縱坐標差(у1-у2)習(xí)慣上也稱之為上下視差，用符號q 表示。

　　4、模型的絕對定向

　　在攝影測量中，相對定向所建立的立體模型常處在暫時的或過渡性的模型坐標系中，而且比例尺也是任意的，因此必須把它變換至地面測量坐標系中，并使符合規(guī)定的比例尺，方可測圖，這個變換過程稱為絕對定向。絕對定向的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是三維線性相似變換，它的元素有7個，3個坐標原點的平移值，3個立體模型的轉(zhuǎn)角值和1個比例尺縮放率。

　　5、立體觀測原理

　　立體觀察的原理是建立人造立體視覺，即將像對上的視差反映為人眼的生理視差后得出的立體視覺。得到人造立體視覺須具備3個條件：①由兩個不同位置(一條基線的兩端)拍攝同一景物的兩張像片(稱為立體像對或像對);②兩只眼睛分別觀察像對中的一張像片;③觀察時像對上各同名像點的連線要同人的眼睛基線大致平行，而且同名點間的距離一般要小于眼基線(或擴大后的眼基距)。若用兩個相同標志分別置于左右像片的同名像點上，則立體觀察時就可以看到在立體模型上加入了一個空間的測標。為便于立體觀察，可借助于一些簡單的工具，如橋式立體鏡和反光立體鏡。對于那種利用兩個投影器把左右像片的影像同時疊合地投影在一個承影面上的情況，可采用互補色原理或偏振光原理進行立體觀察，并用一個具有測標的測繪臺量測。