二维位移场测量是实验力学最基本的任务,也是材料力学实验方法研究中的重点和热点之一。作为一种非接触全场变形测量方法,数字图像相关方法广泛应用于结构或材料的全场变形测量。但是此方法需要在待测对象表面喷涂散斑,对于不宜或无法在表面喷涂散斑的待测对象,数字图像相关方法不再适用,对于该类待测对象的全场位移测量亟需新的解决方案。为此,本文提出一种基于少量灰度标志点的全场变形测量方法,称为拓扑相似度法,用少量标志点代替散斑进行全场位移估计,本文的主要研究内容和结论如下:（1）拓扑相似度法的基本原理和算法流程,该方法是一种基于标志点特征向量的全场位移估计算法,它利用特征向量对相邻标志点的相对位置进行编码。并利用基于随机邻域拓扑排列的特征向量对参考图像和变形图像中的标志点进行一一匹配,通过径向对称方法计算得到相匹配的标志点的亚像素级中心坐标,并计算相匹配标志点间的相对位移,再利用双调和样条插值获取全场位移,最后利用中值检测进行位移异常值剔除,以实现对试件的二维全场位移进行精确估计。（2）从定位误差和插值误差两方面对拓扑相似度位移估计方法进行了误差分析,结果表明该方法计算过程中存在的最大定位误差为10^-3像素,最大插值误差为0.027像素,满足光测法对于测量误差的要求。通过计算机模拟试验确定标志点半径和密度的推荐参数,标志点的推荐半径为6像素,推荐密度为1点/64×64平方像素。（3）利用拓扑相似度法测量了等强度梁的三点弯曲时的全场位移,并将测量结果与利用数字图像相关法测量的结果进行比较,验证了拓扑相似度法用于全场位移测量的有效性,对比结果进一步表明与固定子区大小为23×23像素和步长为5像素的数字图像相关法相比,拓扑相似度法所需的CPU计算时间减少了72%。（4）应用拓扑相似度法结合单轴压缩试验对琼脂基质的弹性模量和泊松比进行了测量,结果表明测试用琼脂弹性模量为0.787Mpa,泊松比为0.855。上述研究分析和试验结果表明,拓扑相似度方法结合了径向对称中心定位法、基于拓扑排列的特征向量匹配和二维双调和样条插值,实现了亚像素级精度的全场位移测量,适用于无法喷涂散斑的结构或材料的全场位移估计,具有重要的工程实际意义。