复杂自由水面如波浪、溃坝水流、堰流等,通常具有水面形态波动显著、表面流速沿程变化剧烈的特点,鉴于传统的测量方法难以直接获取水面形态和表面流场数据,本文提出一种大尺度三维粒子跟踪测速方法(LS-3DPTV)有效测量复杂自由水面三维流场。该方法包括两台高速摄像机和水面示踪粒子,采用张正友方法快速标定相机内外参数;利用极线约束条件和距离约束条件匹配双相机同名点,重构出前后时刻的示踪粒子空间坐标,8m2拍摄范围重构精度为3mm;利用匹配概率法识别各相机前后两幁图像的同名点,转换至空间粒子同名点,重构出示踪粒子三维速度矢量。将LS-3DPTV方法应用于薄壁堰流,自然光照条件下能有效捕捉示踪粒子空间轨迹,重构出瞬时堰流表面三维流场,薄壁堰流垂向流速近似满足自由落体运动规律,数值略小于相同落差条件下的自由落体运动速度,纵向流速在水舌上半段沿程快速增加,下半段沿程缓慢减小,触底后沿程快速线性增加;应用于漫顶溃坝试验,能够真实地反映出倒漏斗形水面形态和流场特点。