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(jī)械法(亦稱模擬法)和解析法等。在每一種方法中還可細(xì)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(diǎn)同地面點(diǎn)的坐標(biāo)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(diǎn)(像方)同像片間的相關(guān)位置。利用它可以恢復(fù)攝影時(shí)的攝影光線束。內(nèi)方位元素系指攝影機(jī)主距 f和攝影機(jī)物鏡后節(jié)點(diǎn)在像平面的正投影位于框標(biāo)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值(x0,у0)。這些數(shù)值通過對航攝機(jī)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(shí)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(gè)數(shù)值，包括攝影中心S在某一空間直角坐標(biāo)系中的3個(gè)坐標(biāo)值Xs、Ys、Zs和用來確定攝影光線束在空間方位的3個(gè)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(gè)模型坐標(biāo)系O-XYZ而定義的。模型坐標(biāo)系的X坐標(biāo)軸近似地位于攝影的基線方向，Z坐標(biāo)軸近似地與地面點(diǎn)的高程方向相符。在模型坐標(biāo)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(diǎn)坐標(biāo)變換式

　　像點(diǎn)ɑ在以攝影中心S為原點(diǎn)，攝影主光軸z坐標(biāo)軸的像空間坐標(biāo)系(S-xуz)中的坐標(biāo)為xɑ、уɑ、zɑ=-f。此時(shí)以S為原點(diǎn)再建立一個(gè)輔助坐標(biāo)系(S-uvw)其中3個(gè)坐標(biāo)軸u、v、w分別與模型坐標(biāo)的3個(gè)坐標(biāo)軸X 、Y、Z相平行。ɑ點(diǎn)在此輔助坐標(biāo)系中的坐標(biāo)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(biāo)系與輔助坐標(biāo)系的相應(yīng)坐標(biāo)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(gè)角定向元素的函數(shù)。這是一個(gè)重要的基本公式，因?yàn)橛泻芏嗬碚摴交蜃鳂I(yè)公式就是在此基礎(chǔ)上進(jìn)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(jìn)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(jìn)行。其理論基礎(chǔ)是使空間所有的同名光線都成對相交。當(dāng)同名光線不相交時(shí)，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(shí)在垂直于攝影基線方向中存在的距離。此時(shí)將投影器作微小的直線移動或轉(zhuǎn)動，就可以消除這個(gè)距離。理論上只要能夠在適當(dāng)分布的 5個(gè)點(diǎn)處同時(shí)消除該點(diǎn)處的上下視差，就認(rèn)為已經(jīng)獲得在這個(gè)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(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)，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(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)值，就能夠解算出該像片對的 5個(gè)相對定向元素。同名點(diǎn)在左右像片上的縱坐標(biāo)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(shí)的或過渡性的模型坐標(biāo)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(biāo)系中，并使符合規(guī)定的比例尺，方可測圖，這個(gè)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(gè)，3個(gè)坐標(biāo)原點(diǎn)的平移值，3個(gè)立體模型的轉(zhuǎn)角值和1個(gè)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(gè)條件：①由兩個(gè)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(shí)像對上各同名像點(diǎn)的連線要同人的眼睛基線大致平行，而且同名點(diǎn)間的距離一般要小于眼基線(或擴(kuò)大后的眼基距)。若用兩個(gè)相同標(biāo)志分別置于左右像片的同名像點(diǎn)上，則立體觀察時(shí)就可以看到在立體模型上加入了一個(gè)空間的測標(biāo)。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(gè)投影器把左右像片的影像同時(shí)疊合地投影在一個(gè)承影面上的情況，可采用互補(bǔ)色原理或偏振光原理進(jìn)行立體觀察，并用一個(gè)具有測標(biāo)的測繪臺量測。