桥梁工程在国家交通建设中起着重要的作用。包括桥梁挠度、拉索振动等在内的结构动静变形是桥梁鉴定、危桥改造和新桥验收的重要测量内容和关键研究参数。致力于解决大型桥梁结构变形指标难测量、测不准等工程难题,微波雷达、测量机器人、激光三位扫描和光学成像等高新测量技术在土木工程领域内逐渐被广泛应用。其中光学成像技术以其定位精细、多点同步、动静态均可胜任以及非接触无损测量的多重优势倍受关注。虽然该技术已经被广泛应用,但在实地测量中依然存在很多局限性需要进一步解决。本文围绕图像测量在桥梁结构应用中的关键问题:目标追踪、斜光轴位移换算、相机扰动,开展了基于图像的桥梁结构变形测量方法的研究。主要创新工作如下:首先,针对图像匹配,本研究提出了两种效率和精度更高的图像目标定位算法:（1）本研究从降尺度检测、几何一致性预筛选和RANSAC预判断模型优化三个方面入手,对SURF-BRISK特征点匹配算法进行改进;（2）本文提出了一种设置面积一致性约束的灰度质心定位方法,以此控制亮度变化引起的定位误差。其次,针对已有的位移换算关系标定方法在实际工程中的局限性和理论不足,本研究做了以下两类工作:（1）为了减少相机倾斜角引起的测量误差,本文提出了考虑像点位置改变的换算公式;（2）为了解决激光测距仪在远距离实桥测量中的局限性,本文提出了通过图像信息即可快速获得全场多个目标的物距以及倾斜角度的方法。再者,相机扰动是工程结构变形测量的主要误差来源之一。一方面相对位移法的校正效果有限,另一方面借助图像的相机姿态提取精度以及通过加速度传感追踪相机刚体平移的精度都不能满足桥梁变形测量的需求,由此本文:（1）提出了基于两个不同物距的参考点的相对位移法;（2）提出了一种基于图像与角度传感相结合的桥梁挠度测量方法,该方法保留了图像全场多点测量的能力和接触式传感器精度稳定的固有优势。在理论研究的基础上开发了站立式的多目标实时位移测量相机系统。具有以下优势:（1）该设备集图像采集、测点测距、定位、相机倾角测量以及实时图像处理多种功能于一体。（2）硬件方面,通过大功率激光指示器和测距仪的配合,提高了设备远距离测距和目标定位的能力。（3）软件方面,用户可以根据不同的结构选择不同的匹配算法,根据不同的测量条件选择不同的标定方法,具有更好的普适性。本文通过位移台试验对该系统的可靠性和精度水平进行了评估。最后,开展了借助相机图像的南沙大桥荷载试验中的挠度测量。将本文的理论方法研究融入到2种灵活的且具有代表性的测量方案中,并进行了工程实现。两种方法均能实现多点同步测量,并在同一种工况下同时采用。其可靠性通过与传统位移传感设备结果的对比得到了验证。