数字图像相关方法是一种新型的非接触式光学测量方法,自上世纪八十年代初被提出至今,得到了突飞猛进的发展,并且由于其独特的优势,现被应用于多个学科领域。数字图像相关方法由于测量精度高和非接触性等特点,可以弥补土木工程中现有测量方法的不足,可以解决土木结构实验中的很多难题。本文结合土木工程的特点,围绕数字图像相关方法的计算精度和计算效率两个关键问题,改进了数字图像相关方法的亚像素测量算法,提高了计算精度和计算效率,并扩展了数字图像相关方法在工程中的应用。现有位移和应变测量方法很多,但非接触式的测量方法却不多见,本文总结了现有位移和应变测量方法,分析了这些方法的优缺点。通过分析国内外数字图像相关方法在土木工程中的应用现状,总结了将数字图像相关方法应用于土木工程中的优势与存在的问题。本文的研究重点在于如何提高数字图像相关方法的计算精度和计算效率。以此为目的,详细分析了数字图像相关方法的基本原理、测量系统、位移计算和应变计算,尽量在每个过程中都采用最佳的方法,以提高计算精度和计算效率。本文还提出一种基于数字图像相关方法的像素位移与实际位移的标定方法,使计算得到实际位移具有更高的精度。亚像素位移测量是影响计算精度与计算效率的最重要的因素,本文分析和比较了常用的三种亚像素测量算法(曲面拟合法、Newton-Raphson法和梯度法)的计算精度、计算效率和抗噪性能。并在此基础上提出了一种改进的曲面拟合法,并用数字仿真实验和实际实验验证了该方法在计算精度、计算效率和抗噪性能方面的优势。另外,本文还用matlab语言编写了一套数字图像相关计算程序,该程序界面友好、可进行交互式操作实现计算过程的人工干预、并可以完成数字图像相关计算的各项任务。本文对数字图像相关方法在土木工程中的实际应用做了以下几个方面的研究:(1)基于结构位移具有单向性的特点,提出一种改进搜索路径的方法,提高了计算效率,并将该方法应用于模型梁三点弯曲实验和桥梁静荷载实验;(2)提出一种利用“加权光强相关系数”来测量金属表面塑性变形测量的方法;(3)将数字图像相关方法应用于动态位移测量和模态参数识别实验;(4)研究和讨论数字图像相关方法应用于距离测量的方法。