黄土高原是地表物质交换最频繁、形态变化最剧烈的区域之一。小流域既是天然的地理单元，又是流域管理的基本单元，更是水沙治理等工程措施的重点试验单元。前人在黄土小流域侵蚀产沙机制与建模方面开展了一系列研究，但是受研究数据和方法的限制，目前仍没有提出一套从小流域侵蚀监测到反演输沙过程的方法体系。论文通过无人机摄影测量技术监测了小流域的侵蚀变化，构建了在像元尺度模拟泥沙搬运路径和不同路径泥沙分配量的整套方法框架，探索了从地形变化结果反演地表过程的研究范式，取得了相应的研究成果，主要研究结论如下：

(1) 针对于消费级无人机，探索了相机倾角、航高、直接地理定位技术和控制点质量对高程精度的影响，提出了面向黄土小流域侵蚀监测的无人机摄影测量精度优化方法。试验结果表明，在无控制测量的情况下，倾斜摄影(特别是相机倾角大于20°时)有利于降低相机畸变参数相关性，减少系统误差，改善高程精度；航高对高程精度的影响与相机倾角有关，使用倾斜摄影时，有利于降低高程精度对航高变化的敏感性。在有控制点的情况下，一方面，要使用蒙特卡罗检测对控制点质量进行评估和筛选；另一方面，相对于垂直摄影，倾斜摄影需要更多的控制点高程精度才能达到稳定。在野外实际应用时，可根据以上试验结果灵活选取测量方案，提高测量精度。

(2) 提出了顾及误差空间自相关的地形变化检测方法，探索了显著性分割和误差空间自相关对地形变化检测的影响，实现了对小流域侵蚀产沙量的有效测算。试验结果表明，显著性阈值分割对地形稳定区域的毛侵蚀量和毛沉积量的计算至关重要，但对净侵蚀量的影响不大。考虑到黄土小流域中往往既有稳定区域又有侵蚀和沉积区域，在做地形变化检测时应使用显著性阈值分割。无人机摄影测量的高程误差存在一定程度的空间自相关。通过蒙特卡罗光束平差模拟可以得到无人机摄影测量的误差空间分布。在进行地形变化检测时，使用误差空间分布代替中误差进行误差传播和检测可以提高检测结果的可靠性。

(3) 依据黄土小流域的径流特征，构建了基于地形变化检测的小流域输沙过程模拟方法，实现了对泥沙搬运路径和搬运量(即输沙率空间分布)的有效评估。该方法包含两个子方法，即一维(纵剖面)和二维(空间)方法。一维方法将每个截面内的地形变化量累加并向下游传播，即从纵剖面(上游到下游)的视角查看输沙率的变化。这种方法可以提供输沙率从上游到下游的一个整体变化趋势。二维方法即从像元尺度推演泥沙的搬运情况。如何根据不同的地表径流过程设计泥沙的路径分配算法是论文方法的核心。论文探索了不同路径分配算法在坡面区域和沟道区域的有效性。试验结果表明，在坡面区域应当使用基于坡度指数的多流向算法；在沟道区域应当使用基于水力模拟的路径分配算法；对于整个小流域的输沙率空间分布模拟，应当使用二者的耦合方法。使用上述方法在模拟小流域中输沙率出现负值(质量不守恒)的比例仅为0.67%~9.97%。这一结果验证了论文方法的合理性。此外，论文还讨论了上述方法的适用条件，以及地形变化检测、DEM的时间和空间分辨率、土壤容重空间差异、模型参数化等对方法的影响。

(4) 通过4个野外实测小流域验证了小流域输沙过程模拟方法，分析了输沙率的空间分布与小流域特征指标的关系。试验结果表明该方法在野外实测样区中也能有效模拟泥沙在空间上的输移情况，4个样区中质量不守恒的区域面积占比仅在2.53%~7.85%之间，且多为人类活动影响区。通过相关性分析发现其与上游汇水面积、上游汇水区狭长度及3个水文参数(SPI、TWI、LS)呈正相关。