风沙运动具备复杂的两相相互作用机理，是自然界重要的物质输运和能量转移过程，同时也是风沙灾害的发生形式，具有重要的理论研究意义和广泛的实际应用背景。本文以风洞实验、光学测量及相应的数字图像处理算法为手段，以拓展相关研究内容为目的，对风沙颗粒蠕移运动的统计特性和多颗沙粒聚集而成的新月形风沙结构的演化行为进行了研究。
以基于三角嵌铺的离散粒子追踪算法为蓝本，提出了两种纯粹基于数据结构的改进措施，并采用加扰的通用人工流场和拥有极端条件的自定义流场（过大的粒子跨帧速度和过高的粒子浓度）进行了验证。结果表明：其一，利用三角嵌铺非结构化网格确定候选匹配粒子可免去算法对粒子跨帧位移的预估，并实现了算法效率及准确率的提高；其二，“双向复算-概率择优”使算法不再依赖于局部粒子协同运动假设，并实现了计算准确率的大幅提高。而参照算法的检验结果则证明了两种改进对于一般粒子追踪算法的普适性。
通过改进的离散粒子追踪算法对平坦沙床面上的沙粒蠕移运动轨迹进行了重构。基于实际采样频率，定义了单步速度及单步偏转角等“微观”蠕移运动参数，基于“过度曝光”假设，定义了“介观”蠕移运动参数。结果表明，蠕移运动可依据单步初速的统计分布分为流体起动和碰撞起动两大类型，而两种类型的比重随风速增大呈现此消彼长的关系；对蠕移单步初始速度在全体单步速度中所占比重进行了计算，分别得到流体起动和碰撞起动的稳定和动态特征，并推知风速增大对蠕移运动的终结方式是在运动过程中将蠕移转化为跃移而并非在起动阶段终结蠕移，而碰撞起动规模则在此过程中得到增强。对介观参数的分析表明，随平均风速增大，蠕移的逆风反跳概率及横向扩散程度反而增大，而粒径增大将抑制任何风速增大所产生的效应。当蠕移运动的横向扩散或方向保持性通过角度参数来描述时，其平均值与粒径无关，表明蠕移跨距变化的空间均匀性。将蠕移轨迹的跨时和跨距转化为无量纲滚动次数后得到定性一致的结果，证明了此无量纲方法的有效性。　
在风沙结构演化实验中，引入两种风沙流饱和度的调谐手段：全局性改变沙粒起动阈值的沙床振动以及增强沙堆迎风面溅射规模的入射风沙流，并以此制造出实验室尺度的不饱和新月形沙堆。建立了沙堆微观颗粒运动与宏观侵蚀的同步光学测量系统；在仅使用沙床振动的条件下，得到新月沙堆在迎风面廓线类型及沙堆面颗粒溅射特性等方面与野外情况的相似性，并通过定量分析明确了爬移颗粒在迎风面侵蚀中所担当的最重要角色。
在使用两种调谐手段的条件下，由俯视角度记录了新月沙堆“流向-横向”平面的演化过程，并发展出一种提取沙堆投影面标识点及形态特征量的图像处理算法。结果表明，同一标识点的流向位移过程在两种调谐下的结果定性相同，证明了沙床振动这一非自然调谐方式的实用性；在同一调谐下，不同标识点的流向位移过程各异，证明了小尺度沙堆移动过程的非均匀性。形态特征量演化的结果表明，相比横向特征尺寸，流向特征尺寸对调谐量的线性变化具有更加明显的单调的、收敛性的响应，而背风面兽角特征量的演化对调谐变化呈非单调性的弱响应，分别说明沙堆体在流、横向维度上演化的不相关性以及背风面演化的独立性。