根據在航空飛行器上拍攝的地面像片，獲取地面資訊，測繪地形圖。主要用於測繪1:1000～1:100000各類比例尺的地形圖。航攝像片是航空攝影測量的基本資料，是用畫幅式航攝機，按照嚴格的航攝要求攝得的（見航空攝影）。
原理 單張像片測圖的基本原理是中心投影的透視變換，而攝影過程的幾何反轉則是立體測圖的基本原理。廣義來說，前一情況的基本原理也是攝影過程的幾何反轉。20世紀30年代以後後，攝影過程的幾何反轉都是應用各種結構復雜的光學機械的精密儀器來實現的。50年代，開始應用數學解析的方式來實現。圖1就是用光學投影方法實現攝影幾何反轉的示意圖。圖中假設兩張相鄰的航攝像片覆蓋瞭同一地面AMDC，它們在左片P1上的構像為ɑ1m1d1c1，右片P2上的構像為ɑ2m2d2c2，兩攝站點S1和S2間的距離為基線B。如將這兩張像片裝回與攝影鏡箱相同的投影器內，後面用聚光器照明，就會投射出同攝影時相似的投影光束。再把這兩個投影光束安置在與攝影時相同的空間方位，並使兩投影中心間的距離為b（b為按測圖比例尺縮小的攝影基線），此時所有的同名投影光線都應成對相交，從而得出一個地面的立體模型A＇M ＇D ＇C ＇。這時，用一個空間的浮遊測標（可作三維運動）去量測它，就可畫得地形圖。
理論 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性的，帶有某些共性，如像片的內方位元素和外方位元素，像點同地面點的坐標關系式，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。
像片的內方位元素和外方位元素 內方位元素用以確定攝影物鏡後節點（像方）同像片間的相關位置。利用它可以恢復攝影時的攝影光線束。內方位元素系指攝影機主距 f和攝影機物鏡後節點在像平面的正投影位於框標坐標系中的坐標值(x0，у0)。這些數值通過對航攝機鑒定得出，故內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據，叫做像片或攝影的外方位元素。外方位元素有6個數值，包括攝影中心S（圖2）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坐標軸近似地位於攝影的基線方向，Z坐標軸近似地與地面點的高程方向相符。在模型坐標系內所建立的立體模型必須在其後經絕對定向的過程才能取得立體模型的正確方位。
像點坐標變換式 圖2中，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為uɑ、vɑ、wɑ，則其變換關系式為：
R為旋轉矩陣，它是由像空間坐標系與輔助坐標系的相應坐標軸間夾角的餘弦（稱方向餘弦）組成，而這些方向餘弦都是像片的3個角定向元素的函數。這是一個重要的基本公式，因為有很多理論公式或作業公式就是在此基礎上進一步演化得出的。例如，在解析攝影測量中有廣泛應用的“共線條件方程式”，就是根據它的反算式作進一步演化得出。
相對定向 確定像片對相互位置關系的過程。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於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動，就可以消除這個距離。理論上隻要能夠在適當分佈的5個點處同時消除該點處的上下視差，就認為已經獲得在這個立體像對內全部上下視差的消除，從而完成瞭相對定向，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。根據同名射線共面條件的理論可以推導出這些量測值與相對定向元素的關系式。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)習慣上也稱之為上下視差，用符號q 表示。
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，並使符合規定的比例尺，方可測圖，這個變換過程稱為絕對定向。絕對定向的數學基礎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個立體模型的轉角值和1個比例尺縮放率。
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後得出的立體視覺（圖3）。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)；②兩隻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於眼基線(或擴大後的眼基距)。若用兩個相同標志分別置於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瞭一個空間的測標。為便於立體觀察，可借助於一些簡單的工具，如橋式立體鏡和反光立體鏡。對於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，並用一個具有測標的測繪臺量測。
作業 航空攝影測量需要進行外業和內業兩方面的工作。
航測外業工作包括：①像片控制點聯測。像片控制點一般是航攝前在地面上佈設的標志點，也可選用像片上的明顯地物點（如道路交叉點等），用普通測量方法測定其平面坐標和高程。②像片調繪。是圖像判讀、調查和繪註等工作的總稱。在像片上通過判讀，用規定的地形圖符號繪註地物、地貌等要素；測繪沒有影像的和新增的重要地物；註記通過調查所得的地名等。通過像片調繪所得到的像片稱為調繪片。調繪工作可分為室內的、野外的和兩者相結合的3種方法。③綜合法測圖。主要是在單張像片或像片圖上用平板儀測繪等高線。
航測內業工作包括：①測圖控制點的加密。以前對於平坦地區一般采用輻射三角測量法，對於丘陵地和山地則采用立體測圖儀建立單航線模擬的空中三角網，進行控制點的加密工作。20世紀60年代以來，模擬法空中三角測量逐漸地被解析空中三角測量代替（見空中三角測量）。②用各種光學機械儀器測制地形原圖。
測圖方法 20世紀30年代以來，航空攝影測量的測圖方法主要有3種，即綜合法、全能法和分工法（或稱微分法）。
航空攝影測量的綜合法是攝影測量和平板儀測量相結合的測圖方法。地形圖上地物、地貌的平面位置由像片糾正的方法得出像片圖或線劃圖，地形點高程和等高線則用普通測量方法在野外測定。它適用於平坦地區的大比例尺測圖。
航空攝影測量的全能法是根據攝影過程的幾何反轉原理，置立體像對於立體測圖儀內，建立起所攝地面縮小的幾何模型，借以測繪地形圖的方法（圖4）。在立體測圖儀上安置像片時依據內方位元素，目的是使恢復後的投影光束同攝影光束相似（也可在一定條件下變換投影光束）。由於像對的相對定向過程中並未加入控制點，隻利用瞭像對內在的幾何特性，所以建立的幾何模型的方位是任意的，模型的比例尺也是近似值，因此必須通過絕對定向才能據以測圖。
全能法測圖的儀器是立體測圖儀。這類儀器形式繁多，根據投影系統的結構可分為3種類型：①建立實際投影光線束的光學投影式的；②從投影中心至像點一方為實際的投影光線，而從投影中心至模型點一方則用方向導桿代替的光學機械投影式的；③用一根貫穿3個萬向關節(它們分別代表像點、投影中心和模型點)的方向導桿來代替投影光線的機械投影式的。前兩種型式的儀器現已基本淘汰瞭。立體測圖儀的結構均須有投影系統、觀測（觀察和量測）系統和繪圖系統等幾個主要部分。使用立體測圖儀進行相對定向和絕對定向，是通過兩個投影器的角運動（少數儀器也有直線移動）和測標架上測標的安置動作來實現的。定向之後，可以通過立體觀測，利用儀器上的測標點在地面的立體模型上進行地物和地貌的測繪。有的儀器還可以處理地面攝影的像片，有的可在儀器上作空中三角測量。立體測圖儀自1930年問世以來，發展到60年代達到高峰，以後主要是發展儀器外圍設備，例如電子繪圖桌、正射投影裝置(見正射影像技術)以及坐標記錄裝置等。電子繪圖桌有多種功能，可以自動地做某些內容的繪圖工作。
航空攝影測量的分工法（微分法）是按照平面和高程分求的原則進行測圖的一種方法。使用的主要儀器是立體量測儀。它是根據豎直攝影像對，量測左右視差較和在右方像片上勾繪等高線的一種儀器。一個地面點在左、右兩張像片上構像點的橫坐標 x的差值稱左右視差p，而兩個地面點的左右視差之差則稱之為左右視差較Δp，這個 Δp是該兩點的高程差所引起的。在量測左右視差較Δp的過程中，借助儀器上的改正機件，自動改正由攝影外方位元素帶來的影響，使之等於理想像對的左右視差或左右視差較；而用高差公式計算高程差；然後用投影轉繪儀把在像片上勾繪的等高線以及調繪的地物，進行分帶投影轉繪成地形圖。中國設計制造的X－2型視差測圖儀是在立體量測儀的基礎上，另加平面改正機件，改進後的儀器，在使用中可把分工法測圖中的兩個步驟一次解決，從而提高瞭作業效率。意大利、聯邦德國也有類似的儀器。
航空攝影測量的成圖方法和儀器正在向著半自動化和自動化方向發展，在這方面解析測圖儀已經有瞭相當的成就。（見彩圖）
解析測圖儀 在電子計算機控制下進行解析空中三角測量，獲得數字地形模型或測繪地形圖
X-2型視差測圖儀 航空報影測量分工法的測圖儀器
立體刺點儀 為解析空中三角測量精確轉刺同名像點
立體坐標量測儀 可以精確量測同名像點在左、右像片上的像平面坐標
立體測圖儀 航空攝影測量全能法的測圖儀器