双目视觉系统水下应用时，空气中的测量模型和标定方法失效，导致水下三维重建难以实现。提出一种水下双目立体视觉成像模型，并据此开展标定方法研究。用光线四维参数化表示方法描述水下相机成像过程，建立水下双目立体视觉成像模型；在保留光线信息的基础上，根据共面约束标定出分界面法向量与空气介质厚度的初始值，并构建最优目标函数进行非线性优化，以获取高精度的标定参数。进行了系统参数标定仿真分析、系统标定实验和水下标准球棒测量实验，结果表明：系统参数标定仿真分析的平均误差为0.078 pixel，系统标定实验的平均误差小于0.12 pixel，水下标准球棒测量误差的标准差优于1.2 mm。水下实物三维重建实验进一步表明，该系统具有较好的水下三维重建效果。