没有科学素养的地理爱好者不是好摄影师。当科学和摄影结合起来，在看似复杂的科学运算下，把握最精确的拍摄时间、角度或地点，就能呈现出最完美的瞬间。
科学摄影可以将医学、法律学等等相关知识和图片的美色结合起来，既有审美性，又有学术性。但是作为一家地理杂志，怎么着也要做点分内的事情，也算是普及科学普惠众生，于是编辑部的同事们就在这神圣庄严义不容辞的责任下，尝试着做一期地理科学摄影的专题。
幸运的是我们邀请到了几位理工男摄影师。在最常见的日出中，追踪着太阳与地表的投射关系，将大自然的风姿和地理科学的风韵天衣无缝地结合在一起。每张图片的背后，都有一段超乎你想象的故事。
但是话说回来，啥叫科学摄影，先来个简单的例子：
长安街“悬日”，秋分
长安街“悬日”，春分
“纽约曼哈顿悬日”是非常著名的城市天文景观，由于曼哈顿的街道呈西北-东南分布，每年总会有一天的时间太阳可以直射整个街道。而对于拥有正南正北、纵横垂直的北京城来说，“悬日”景观也极易获取，甚至可以明确那一天的日期：春分、秋分。
上面两张长安街“悬日”图就是毕业于清华大学电子工程系的摄影师@陈海滢 在秋分和春分时拍摄的，为了找到合适的拍摄地点，他几乎跑遍了38公里长的长安街。由于北京西侧群山环绕，日落的低角度被遮挡，只能向东捕捉初升的朝阳。 长安街西侧的定都峰虽然海拔高，但是拍摄低处的日出，障碍物太多只好放弃。
但理工男拼起来是很可怕的。陈海滢通过遥感影像计数，发现 长 安街及其延长线上一共有18座天桥，其中14座在中轴线以西，可以作为拍摄的备选位置。为了突出朝阳，他计划使用600毫米以上的超长焦距镜头，这就要求 拍摄点与前景的距离必须超过400米。在地图软件中通过测量每一个天桥与前景的拍摄距离，他最终选定了三个备选机位。
没有科学素养的地理爱好者不是好摄影师。当科学和摄影结合起来，在看似复杂的科学运算下，把握最精确的拍摄时间、角度或地点，就能呈现出最完美的瞬间。
科学摄影可以将医学、法律学等等相关知识和图片的美色结合起来，既有审美性，又有学术性。但是作为一家地理杂志，怎么着也要做点分内的事情，也算是普及科学普惠众生，于是编辑部的同事们就在这神圣庄严义不容辞的责任下，尝试着做一期地理科学摄影的专题。
幸运的是我们邀请到了几位理工男摄影师。在最常见的日出中，追踪着太阳与地表的投射关系，将大自然的风姿和地理科学的风韵天衣无缝地结合在一起。每张图片的背后，都有一段超乎你想象的故事。
但是话说回来，啥叫科学摄影，先来个简单的例子：
长安街“悬日”，秋分
长安街“悬日”，春分
“纽约曼哈顿悬日”是非常著名的城市天文景观，由于曼哈顿的街道呈西北-东南分布，每年总会有一天的时间太阳可以直射整个街道。而对于拥有正南正北、纵横垂直的北京城来说，“悬日”景观也极易获取，甚至可以明确那一天的日期：春分、秋分。
上面两张长安街“悬日”图就是毕业于清华大学电子工程系的摄影师@陈海滢 在秋分和春分时拍摄的，为了找到合适的拍摄地点，他几乎跑遍了38公里长的长安街。由于北京西侧群山环绕，日落的低角度被遮挡，只能向东捕捉初升的朝阳。 长安街西侧的定都峰虽然海拔高，但是拍摄低处的日出，障碍物太多只好放弃。
但理工男拼起来是很可怕的。陈海滢通过遥感影像计数，发现 长 安街及其延长线上一共有18座天桥，其中14座在中轴线以西，可以作为拍摄的备选位置。为了突出朝阳，他计划使用600毫米以上的超长焦距镜头，这就要求 拍摄点与前景的距离必须超过400米。在地图软件中通过测量每一个天桥与前景的拍摄距离，他最终选定了三个备选机位。
拍摄当天凌晨4点他就从西五环开始逐个检测备选机位。太阳升起时，他按下快门，“一次性成功。过程完全遵循了事先的规划。”以缜密构思和科学计算为基础的科学摄影已经显示出它的效果。
当然这是个十分简单的例子，春秋分很好判断，只需要沿着长安街寻找合适的地点即可。但这种判断和寻找就是科学探索的开始。没有前期的预算和规划，很难高效率的完成这种美景。
定都阁落日
先放图：
1月中旬，在距离定都阁28.5公里的北五环外G6与G7高速之间拍摄的日落
对于一个理工男来说，只根据春分秋分来拍“悬日”就太大材小用了，@陈海滢 也绝对不满足于此。位于长安街西延长线上的定都峰，是传说中“燕王喜登定都峰，刘伯温一夜建北京”的所在地，自从放弃了定都峰作为“长安街悬日”的拍摄位 置后，陈海滢开始琢磨如何把定都峰上的定都阁，作为追日题材的拍摄对象。
但创作以“定都阁落日”为题材的作品，同样需要先进行一系列的分析计算，这可比拍长安街日出的计算要复杂得多。
首先，需要根据定都阁和太阳的大小比例确定拍摄距离。根据太阳直径与日地距离，可以算出太阳在人视野中的角度大约为0.5度——这是拍摄太阳的一个重要参数。
如果要在照片中将定都阁表现得与太阳一样大，定都阁的视野张角也要等于0.5度。目前已知定都阁高34米，经过推算，拍摄距离需要3.9公里，如果要定都阁稍小于落日，拍摄距离则需要适当增大。
为了捕捉定都阁与太阳重合的影像，还必须考虑拍摄仰角和拍摄方位：由于定都峰西边有海拔最高达1400米的山脉，如果拍摄仰角太小，定都阁将淹没在背后 的山梁中;定都阁在长安街的正西方，每年春秋分，太阳正西落下，在长安街便可拍摄定都阁凌日;其他时候则需要根据太阳落下的角度来计算具体的拍摄位置。
经过复杂计算的判定，夏至的日落时分，陈海滢在108国道王村桥附近距离定都阁大概6公里的地方按下快门，用800毫米的长焦镜头第一次拍摄到了圆日依山、层檐古建与夕阳呢喃细语的静谧壮美画面。
定都阁凌日方为计算
如果你觉得这逼格已经很高了，请放心，还有逼格更高的。那是完全利用行星运动来推算太阳的运动轨迹，然后计算出准确的拍摄时间毫不费力地得到最满意的效果。
陈海滢的清华校友黄腾宇就在一个偶然的机会开始了科学摄影的尝试。
还是先放图：
这张照片拍摄于前年10月份，是本刊特约摄影师在北京盘古大观拍摄的日出，旭日东升的火球在龙头上宛如蛟龙戏珠，大气磅礴，并刊登在去年8月份的《中国国家地理》杂志上。
但你不要小瞧这张图片，它绝不是摄影师恰好在某一天某个地点偶然捕捉到的画面，而是运用科学精确地推算出日出时间和最佳拍摄角度、拍摄地点才完成的美景。
那么问题来了，怎么推算?
时隔一年，编辑们决定将摄影师拍摄这张图片的背后推演故事呈献给大家，虽然在去年的杂志上都有陈述，但并不详尽。一周年后，我们有幸获得摄影师当年亲自撰写的限于版面没有刊发的拍摄和推演全过程，现在全文公布来一起领略科学摄影的魅力。
以下是摄影师黄腾宇拍摄和推演的全过程：
“盘古衔日”可谓是一张偶然为之而成的摄影作品。“偶然”一词并非在说衔日的景象本身，而是指——不仅是产生这个拍摄的创意出于偶然，而且拍摄当天有合适的天气亦是偶然。在这些偶然的背后，是一些必然的推导和计算，在必然之下才有拍摄此衔日景象的水到渠成。
说创意出于偶然，是来源于另一场并不太成功的日出拍摄。
2013年的9月26日那天，北京城有着难得的蓝天白云少雾霾的天气。我和好友王卓骁登上学校附近一座高楼的观景平台，拍到了那天的日出景象——
从学校向东望去，奥运园区的标志性建筑——通高192米的盘古大观，在一片高楼中鹤立鸡群。楼顶设计的龙头一般的曲线，在日出时逆光的剪影中伴着初升的太阳，有如“巨龙戏珠”，尤为有趣。由此想来，最有趣的场景无过于盘古大观恰好与太阳相接的那个时候。
那么怎么才能把握好拍摄的时间呢?
首先，从9月26日的拍摄中看出，太阳位于盘古的北边。此时已是秋季，日出方位会随着日期推后而向南偏移，直到期待中的那样与盘古大观相接。若是不幸错过了相接的日子，就只能等到下一个春天太阳“回归”过后再一睹衔日风采了。
其次，日出时太阳并非直上直下(如下图所示)，我们需要知道太阳位于“?”所代表的那一点的准确时间。太阳运行的方位可以通过Stellarium这款 天文星图模拟软件来模拟，根据观测者所在的方位、时间，就能得到太阳的高度角和方位角等各种参数;反过来，我们要想得到观测(拍摄)的时间，那么就需要掌 握“?”那一点的高度角、方位角两个参数，缺一不可。
方位角的测算是一个不太困难的问题。在电子地图软件上可测得盘古大观相对于拍摄点的方位角为95°左右;考虑到拍摄所在的大楼平台有一定的宽度可供调整，根据目测的平台宽度与地图上测出的拍摄点与盘古的距离，可估算出方位角实际能在0.5°上下浮动。
0.5°恰好大概是太阳直径对于我们的张角(太阳的直径与我们眼睛的夹角，是太阳直径与日地距离的比例，换算成角度为0.5°)，这是一个好消息，它意 味着，我们所选择的拍摄平台足够宽敞，使得我们能通过平移拍摄机位来选择合适的位置，让太阳与盘古摆出各种想要的Pose。
测算高度角，则相对不那么容易了(除非有朝一日我们的电子地图能实现完全的3D!)。在网上搜索两座大楼的高度，不同的新闻报道差别太大;其次，北京城尽管看上去一马平川，但在数千米的距离尺度上有个十几米的海拔起伏也是正常的事。
不过，既然我们测高度角的目的是拍摄凌日，那么反过来借用拍摄的方法来确定高度角不失为一计。在9月26日的一系列照片中，我们选出了这张太阳恰好与盘 古大观位于同一高度角的图，校准相机时间后得到拍摄的准确时间为6:13:00。通过星图模拟软件，在设定好拍摄坐标和海拔后，得到了太阳的准确高度角 ——+1.0°。
有了这两个数据过后，接下来的工作就简单了——直接在星图模拟软件中寻找这样一个时刻，太阳的高度角为+1.0°，方位角为+95°的时间点。最终选定了10月2日~10月3日的日出时分，到达盘古的时间为06:19左右。
10月2日那天的北京城，清晨时分还被浓云笼罩，拍摄计划押在了第二天——10月3日。所幸我在10月3日遇见了最完美的天气——万里无云，且有轻霾笼 罩。当太阳升到1°以上之时，如果空气纯净无霾，那么会因为太阳过于耀眼而难以曝光出它与盘古的合影。恰逢这一天京城略有雾霾笼罩而又不是太厚，太阳钻出 地平线1°之高的时候还显着红彤彤的面庞，因而得以呈现出盘古衔日的最美丽的画面。
总结起来，拍摄这样的照片无外乎计算好“天时”和 “地利”，而在信息技术融合了地理和天文学的今天，星图软件和地图软件为我们对于天时地利的测算带来了极大的方便，让我们从更繁杂的计算中解放出来，从一些更简单的视角来见证科学拍摄的美。
通过一些并不算深奥的科学运算，得出十分准确的拍摄时间，不至于为了拍摄而一次次爬上高楼来确定最佳时机，为拍摄节省了大量时间。
除了静态的建筑外，动态物凌日的捕捉也是具有挑战性的创作。
看下面这张图：
为了拍摄飞机掠过太阳的主题，清华大学自动化系2007级的章佳杰已经做了许多规划和计算。
“凌日，就是将其他物体的影像重合在太阳上。拍摄飞机凌日，是因为我想挑战那稍纵即逝的瞬间画面。我仔细研究规划了一番，觉得能够通过计算预估到合适的拍摄位置和拍摄时机。”章佳杰说，“要确定的主要因素是距离、方位角、仰角这几个参数。”
常见型号的飞机约70米，如果要将飞机的大小表现为太阳圆面直径的一半，拍摄距离大致为 16公里。首都机场从南向北的航线，大致在通州区八里桥到营头桥连线，因此拍摄日出时候的飞机凌日，距离航线16公里的边界将擦过东二环;拍摄日落时候的 凌日，边界将达到河北省燕郊地区。
另外，还需要通过软件计算太阳到达与镜头、飞机三点一线位置的时刻。不同季节太阳的升落方位也是不一样的，需要根据具体日期进行计算。
在距离航线16公里的位置时，可以看到飞机掠日的时间在2秒左右，这个时间足够从容地进行拍摄了。
上图是推演的过程
以往受到技术手段的限制，许多充满灵感的构思在灵光乍现之后就黯然熄灭了。如今，随着各种应用器材的发展，摄影艺术进入一个更加自由和宽阔的空间。当 然，你首先需要一个出色的艺术构想，仅凭机械式的计算，很难使美获得充分的展现。同时，你还需要缜密的科学素养，它正是让艺术获得升华的催化剂。
也正是因为有科学素养，对于旁人拍摄的照片也能迅速判断出其拍摄地点和拍摄场景。去年世界杯决赛中，电视转播画面中出现了里约热内卢的耶稣像，但当比赛结束时，电视机前的章佳杰已经推算出摄影师的位子了。
首先查阅资料可知，里约的这个耶稣像身高30m，加上底座8m，臂展28m，从照片看，耶稣是微侧身对镜头，因此臂展的长度需要进行折算，与耶稣像的身 高做比较，可以估计为22m左右。耶稣像双臂伸展与太阳圆面直径几乎一样长，太阳圆面直径为0.5度，根据这一点就可以计算出摄像机的位置距离耶稣像有 2.5km
单是知道距离还不够，还能算出具体的拍摄地点。出现这个镜头的时刻是北京时间7月14日凌晨 4:10，里约当地时间是7月13日下午5:10，利用Stellarium虚拟天文馆计算，这个时候太阳的方位角是294.69度，高度角是2.32 度。有了方位角，在地图上按照方位角画出一条直线，量出2.5km的距离，就得到下面这张图。
查阅资料可知，耶稣像是在Corcovado山的山顶，Corcovado山顶海拔710m，加上耶稣像高38m，那么耶稣头部高度是748m。由于太 阳高度角是2.32度，因此可以计算出，在2.5km远的地方，摄像机应该比塑像的头部低101m，也就是摄像机需要在海拔609m的地方拍摄，才能拍到 塑像头部与太阳在同一高度的画面。考虑到里约市内平均海拔只有个位数，附近的小山丘高度也没有那么高，因此这幅场景毫无疑问是在直升机上拍摄的。
如今，科学摄影越来越受欢迎，因为摄影本来就不是只按快门的简单事情，摄影本身蕴含的艺术性加上科学的逻辑性让这门手艺变得更有意义，更值得人去了解、尝试和探索。为了一个设想好的画面拼尽全力绞尽脑汁去探索、去发现，这其中的乐趣，不就是科学本身的乐趣吗?
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