变形测量是大型工程建设与运维的基础性、常规性任务，是实验力学、结构健康监测学科最重要的内容之一，现有测量方法难以精准高效经济地实现大型工程结构大尺度高精度测量需求，迫切需要建立新的测量方法和技术。近年来，以摄像机/照相机为传感器的摄像测量理论手段具有非接触性、精度高、成本低等优势，被逐步应用于各种工程结构测量中。本文结合本团队的相机网络测量方法与系统，综述了单相机、多相机摄像测量系统，介绍了多相机系统的图像采集、相机标定、特征提取与跟踪、变形计算等关键算法，论述了摄像测量技术在长期监测和快速检测领域的相关应用，以及系统稳定性的主要影响因素，最后对大型工程结构静动态变形摄像测量方法与技术的成果和问题进行了总结，并展望了其未来发展趋势。

位移监测是结构健康监测最基础、最常规的任务之一。针对桥梁、隧道等长大线状结构形变监测，基于相机组网的位移传递测量是有效手段，但随着相机测站数量的增加，提点误差、模型简化等因素会导致相机网络的误差传递与累积，从而使得测量方程的病态程度增加，如何有效地抑制相机网络误差累积效应是该方法的关键问题之一。为此，本文对相机组网测量误差传递机理进行了系统分析，并提出一种基于误差系数的位移传递测量误差抑制方法，通过误差系数可以对网络测量误差直接进行表征。根据所构建的理论模型，优先在控制点处布置相机测站，尽可能在相机测站处增加标志点，并尽可能在相机测站间多布设标志点，以优化相机网络构型、提高测量精度，并在大跨度斜拉桥上对误差抑制方法进行了现场验证。结果表明，通过优化网络构型，相机网络的传递误差最高可被抑制79.19%。该研究可为相机组网测量在实际工程特别是长大线状结构形变测量中的应用提供有效的累积误差抑制和网络构型优化手段。

针对熔深间接测量方法测量精度低的问题，基于光学相干层析（OCT）的激光焊接熔深监测方法通过直接测量熔池小孔深度，实现在线质量监测。该方法基于低相干干涉精密测距原理，将测量光束与焊接光束同轴，具有测量精度高、抗干扰能力强的优点。搭建了基于谱域OCT（SD-OCT）的激光焊接熔深测量系统，在深熔焊条件下测量了熔池小孔深度，并应用百分位滤波算法从测量数据中提取出熔深曲线。针对百分位滤波算法的熔深提取精度受限于OCT测量数据噪声点和该算法需要根据焊接工况来调整滤波参数等问题，提出了一种基于局部离群因子（LOF）和最大值滤波的OCT熔深提取方法，通过与焊缝纵切面的熔深曲线对比发现，熔深提取精度最大提升了32%。实验结果表明，所提方法可有效提高熔深提取精度，且不需要调整算法滤波参数，适用性更强。

由于缺少可参考的散斑图案，单目激光散斑投影系统需要借助精密的测距仪器，提前拍摄不同标准距离处的散斑图像，测量效率较低，且无法在线校正系统的光轴偏移。针对上述问题，提出一种基于单目激光散斑投影系统的外参数标定方法，可将单目激光散斑投影系统等效于带有散斑图像的双目立体视觉系统。通过调整标定板的位姿，计算同名散斑点的空间三维坐标，解算红外相机与激光散斑投射器之间的位姿关系，并对其进行迭代优化，生成投射器的虚拟散斑图像。实验结果表明，所提方法的位移测量误差低于0.16 mm，标准球的半径测量误差低于0.13 mm，且在一定的深度范围内，深度重建结果明显优于Astra-Pro的探测结果。所提方法可有效提高单目激光散斑投影系统的标定效率和深度重建精度。

基于视觉的监测系统在野外进行长期工作时,安装了监测系统的平台自身会发生6-自由度(6-DOF)的微小晃动,从而给测量结果带来较大的误差。提出了一种线性求解相机微小位姿变化的方法:通过构造垂直双相机模型,引入垂直固连约束关系,可线性解算出相机6-DOF的微小变化。仿真验证表明:当相机发生三个欧拉角不超过30',三个平移向量不超过10 mm的微小位姿变化时,与典型的基于单目透视n点(PnP)的位姿估计算法相比,所提算法在解算精度、鲁棒性以及运行效率上都具有较大优势;室外实验表明:所提方法与单目PnP算法对比能更优地补偿观测平台自身微小运动引起的测量误差,在6个控制点下测量44 m处目标点的沉降量,利用所提方法修正平台位姿变化后绝对测量误差的平均值降至0.2 mm,验证了所提方法的有效性和实用性。

以长期定位试验为研究平台, 并结合紫外-可见吸收光谱, 探求长期不同施肥管理措施: (1)CK(不施肥); (2)NPK(氮磷钾); (3) NPKS(化肥+稻草还田); (4)1.5NPKS(1.5倍化肥+稻草还田); (5)NPKM(化肥+猪粪)下0～20, 20～40和40～60 cm土层的溶解性有机质(DOM)含量和结构特征。 结果表明, 长期施用化肥对土壤DOM的影响较小, 化肥配施秸秆NPKS和化肥配施有机肥NPKM均显著提高了耕层土壤DOM的含量, 在0～20 cm耕层土层DOM含量比化肥NPK处理分别提高39.1和12.1 mg·kg-1。 相比不施肥和氮磷钾处理, 化肥配施秸秆或配施有机肥明显降低0～20和20～40 cm土层溶解性有机质碳与有机氮的比值, 提高了土壤供氮能力。 长期施肥对40～60 cm土层DOM含量和溶解性有机质碳氮比没有明显影响, 不同处理间差异不显著。 在0～20和20～40 cm土层, 相对于不施肥和氮磷钾处理, NPKM, NPKS和1.5NPKS处理能提高土壤DOM的共轭结构和腐殖化程度; 在40～60 cm土层, 提升效果不明显。 化肥配施秸秆或有机肥能增加0～20 cm土层的紫外光谱吸收值(SUVA254, SUVA260和SUVA280)和吸收系数α(355), 降低吸光度比值(A250/A365), 表明0～20 cm土层DOM的芳香度、 疏水性、 分子量和CDOM含量增加, 在20～40和40～60 cm表现不明显。 不同土层的A300/A400值均大于3.5, 表明土壤中主要以富里酸为主。 综上, 长期化肥配施秸秆或配施有机肥能够提高0～20和20～40 cm土壤溶解性有机质的含量, 降低溶解性有机质碳氮比, 提升土壤肥力; 同时增加0～20 cm土壤DOM共轭结构、 腐殖化程度、 芳香度、 疏水部分比例和平均分子量。 长期施肥对40～60 cm土层DOM含量和结构影响较小。

提出了基于直线模型的相机在线标定算法。该方法通过自动跟踪视频中物件的边缘, 在线求解相机系统内外参数, 同时建立物件边缘同图像边缘的对应关系。然后, 利用物件边缘同图像边缘的对应关系, 在相机内外参数初值的基础上, 通过构建融合边缘端点信息的误差函数, 迭代优化求解相机内外参数。进行了仿真和实物实验, 分别使用提出的基于直线的标定方法和传统的基于棋盘格内角点的方法标定了相机内外参数, 并对两种方法的标定结果做了对比。结果显示: 在仅使用边缘信息的条件下, 本文方法可以获得同传统的标定法一致的精度, 标定后重投影误差(RMS)为0.6 pixel。本文方法利用具有标准尺寸的物件即能实现相机内外参数的估计, 且无需制备平面靶板便可获得与传统方法相同的标定精度, 标定过程更为灵活, 有实用价值。

提出了基于轮廓模型的复杂背景弱纹理目标单应优化方法。算法在随机抽样一致(RANSAC)框架下实现了初始变换的求解，通过优化法向距离实现了单应的优化求解。为了快速稳健地求解初始单应，算法随机选取三条满足一定几何约束的直线段进行假设变换关系的求解，通过选取使得投影误差最小的变换关系作为单应初值。为了解决复杂背景条件下模型-图像对应错误引起的优化失败问题，在模型-图像点匹配阶段，算法为每个采样点保留多个图像点对应，同时在对样本点进行加权过程中，该算法综合考虑了样本点自身的属性和样本点同周围点的关系，有效提高了稳健性。实验结果表明：该方法能够实现复杂场景目标单应的优化求解，相比传统的方法，该方法能够有效克服复杂背景的干扰，实现弱纹理目标单应的稳健估计。

为了求解复杂环境下目标的位姿, 提出了基于多直线对应的加权最小二乘位姿估计算法。首先对模型直线进行等间隔采样, 并沿采样点投影法线方向搜索图像点对应; 然后利用图像点对应局部和全局特性对样本点进行加权; 最后通过优化法向距离实现目标位姿的优化求解。为了解决模型-图像对应错误引起的优化失败问题, 算法在模型-图像点匹配阶段为每个采样点保留多个图像点对应, 通过随机Hough变换(RHT)算法将图像点对应约束在直线上, 并为每条模型直线保留多图像直线对应。在对样本点进行加权时, 综合考虑了样本点自身的属性和样本点同周围点的关系, 有效提高了算法对纹理, 背景, 噪声等的鲁棒性。实验结果表明: 提出的方法能够实现复杂环境下目标位姿的优化求解, 其在x方向、y方向和z方向的角度估计误差分别优于0.4, 0.3和0.1°; 在垂直光轴方向和沿光轴方向的相对位置误差则分别优于0.03%和0.1%。相比单假设方法, 提出的方法能够更有效地克服复杂背景干扰, 实现特殊视图目标位姿的稳定估计。