现有的空中三角测量方法有欧拉角法、单位四元数法、基于点特征的对偶四元数法,其中欧拉角法、单位四元数法将外方位元素分开求解,会造成旋转平移在时域上的断裂,引入耦合误差,导致定向参数的解算失败。同时由于上述算法没有充分考虑空间直线的几何拓扑关系和几何约束条件,在利用小型无人机、近景等系统误差较大的遥感影像进行空中三角测量时,计算得到的外方位元素精度较低,无法满足后续摄影测量作业的要求,这已成为摄影测量的理论与技术发展的瓶颈。因此如何在统一描述区域内时间序列影像的旋转和平移的同时,充分利用成像光线的几何拓扑关系,建立可靠的空中三角测量模型,实现定向参数的高精度解算,已经成为摄影测量领域的研究热点,也是本文的主要研究方向。本文提出以对偶四元数为数学工具进行摄影测量的全新理论和方法,建立基于直线特征的成像几何模型,将成像光线用Plücker坐标表示,利用对偶四元数实现成像光线在空间中的螺旋运动,实现了成像光线从像方坐标到物方坐标的变换。在此基础上,深入研究序列影像姿态和位置的统一解算方法,构建对偶四元数成像几何模型和空中三角测量模型,从而提高几何定位精度。实验表明,本文提出的方法针对实际影像、模拟影像和像点坐标存在随机误差时均能够获得正确、稳定的定位结果,相比于传统的空中三角测量方法,能获得更高的精度,对影像控制点的数量与分布无特殊要求,此外,还克服了传统方法无法准确求解大倾角影像外方位元素的缺陷。本文研究成果将提高我国空中三角测量的定位精度,为无人机等不稳定平台影像处理提供思路,拓展摄影测量的应用领域。