数字图像相关方法是一种高精度的非接触式全场测量方法,已经在结构变形测量研究中得到了推广应用。结合土木工程结构变形测量的特点,本文从数字图像相关方法研究热点中的计算精度、速度及稳定性等关键问题着手,首先提出了一种新的相关系数曲面拟合法——两步曲面拟合法,改进了亚像素位移测量算法的计算精度和稳定性；然后将新方法应用于复杂应变场测量实验研究中,验证了本文“两步曲面拟合法”的可行性。首先,介绍和总结了数字图像相关方法的研究现状、基本原理及相关概念。在整像素搜索算法中介绍了常见的十字搜索法与三步搜索法。在位移场测量方法中通过引入预测位移搜索算法,提高了位移场的计算效率。然后介绍了应变场测量方法及模拟散斑图的制作技术。其次,比较了常规的曲面拟合法、梯度法及Newton-Rapshon法的计算误差。其中对曲面拟合法比较了二元二次曲面拟合、二元三次曲面拟合及高斯曲面拟合的计算精度,并进一步分析和比较了二元二次与二元三次曲面拟合在其相关系数取对数后的改进效果。然后比较了三种不同梯度算子时梯度法的计算精度。最后比较了取对数的三次曲面拟合法、梯度法及Newton-Rapshon法的计算精度、计算效率及抗噪声能力,总结了各算法的性能及特点。然后,提出了一种新的相关系数曲面拟合法——两步曲面拟合法。讨论了两步曲面拟合法中影响其计算精度的各项因素,并分析得出各因素的最优选择。比较了两步拟合法与Newton-Rapshon法的计算误差,得出两步拟合法的计算精度较优。然后通过引入插值区域预存储的技术提升了两步拟合法的计算速度。最后与梯度法进行抗噪声能力的比较,得出两步拟合法的抗噪声能力更强。最后,编写了基于matlab的数字图像相关计算软件；并通过平移测量和单向拉应力拉伸两组实验结果,验证了基于本文“两步曲面拟合法”等工作得到的数字图像相关方法计算结果的可靠性。