成像光线穿过不同介质界面时的折转，是双介质摄影测量的核心技术问题。由于摄影时成像光线穿过两个不同的介质，成像光线的折转量与介质的种类、密度、纯净度、温度、形态等有关，因而必须考虑各个介质的光学特性、介质分界面的位置和形状等特殊问题。传统观点认为，双介质摄影测量中，镜头的摄影中心位置仍然同单介质摄影时一样保持不变，物距和像距也未发生变化，只是由物点发出的光线在界面处发生折射，从而导致物点、摄影中心和相应像点这三点不再共线。

双介质摄影测量可以应用在隧道监测、水底测图、考古及工业测量等方面。按摄影方式可以分为两类：①摄影物镜和被摄目标均在非空气介质中，如水下摄影测量，摄影物镜和目标物均在水中，摄影物镜通过某种防水措施进行保护。②摄影物镜在空气中，而目标物在非空气介质里，如过水摄影测量，摄影物镜在水上对水下目标进行摄影，摄影物镜不需要防水保护措施。

水下摄影测量是双介质摄影测量的重要组成部分，是利用物方空间在水中、像方空间在空气中所拍摄的图像，确定被摄目标几何特性的技术。专用的水下摄影机除具有密封、防水、抗压、可充电、牢固、轻便等特性外，还具备立体摄像的功能。水下摄影测量面临的技术问题包括水中光线的低透射、影像反差和分辨率的损失、光线在水、玻璃和空气各界面上的折射、不同位置不同深度的水的各种性态对成像的负面影响以及混浊水中目标的测量技术。水下摄影，特别是深水水下摄影必须配置光源，且常使用上千瓦的大功率光源。

摄影机在水中进行浅水摄影时，如不测定目标物的绝对位置，把一个预制的坐标控制架放在被摄物体周围一起拍摄，以确定目标物的形状和大小。摄影机在水中进行深水摄影时，则需一个运载器。运载器上除摄影机外，还装有一些用来提供摄影机的位置、姿态和曝光间隔的传感器和导航设备，以测定被测物体的绝对位置。摄影机在水面以上对水中物体进行摄影时，被摄物体离水面的距离受到能见度的限制。

航空双介质摄影测量探测深度有限，探测精度相对较低，但其空间分辨率高，相对于其他水深测量技术（声呐、激光等），对描述海底地貌特征、建立三维景观模型具有突出优势。与此同时，以下难点也制约了水下摄影测量的精度：①水面位置必须已知或可以建模；②太阳耀斑和白浪会影响水下特征匹配；③水面不平和立体摄影延时造成的表面变化影响双介质几何结构。

摄影时成像光线通过许多相连的具有不同光学性质的介质的摄影测量称为多介质摄影测量。由于大气是不均匀介质，航空摄影测量和卫星摄影测量严格说来都是多介质摄影测量的一种。