1．目的及意义

1.1研究背景

作为一种新兴的空间对地遥感观测手段，激光雷达（light detectionand ranging，LiDAR）是在传统雷达和光电辐射探测的基础上发展起来一种主动探测技术^[1]。它将激光技术与测绘技术集于一身，集成了全球定位系统、高精度扫描仪、三维激光测距仪和惯性导航系统，通过发射激光束测量雷达系统与地物目标之间的距离和位置等特征信息，进而获取高精度的地物三维空间信息。相对于微波雷达而言，激光雷达在测量精度、分辨率和抗干扰能力等方面具有一定的优势，所以成为获取地球空间信息的重要技术手段之一。目前，激光雷达测量技术的发展已日趋成熟，其精细的时间分辨率、优越的方向性和相干性、大的垂直跨度、高的探测精度和实时快速的数据获取、能力吸引了各国研究人员的关注，已经被广泛应、用于大气探测、环境监测、航天与国防等领域 ^[2]。

2004年，奥地利RIEGL公司研制生产了第1套商用型小光斑全波形机载激光雷达测量系统LMS-Q560。系统发射的激光脉冲在与地物目标作用之后，所形成的后向散射脉冲回波信号由测量系统以较高的采样率进行采样，并对脉冲信号强度进行数字量化和记录。全波形机载激光雷达系统的后向散射脉冲回波信号是发射激光脉冲与其光斑照射范围内所有地物目标相互作用后的回波信号能量及背景噪声的叠加。与传统的激光雷达相比，用户可以根据需要对回波波形进行分解以得到多个感兴趣的信息。系统一经问世，立刻引起了众多学者的关注，开启了对全波形激光雷达数据处理研究与应用的新时代。对于离散回波信号，传统激光雷达仅仅记录了有限次的离散回波信号（通常是第1次和最后一次）；而对于全波形机载激光雷达，系统发射端发出的激光束在与其光斑照射范围内的多个地物目标相互作用之后，系统接收端则以较高的采样频率对回波进行采样并数字化，从而得到与地物目标作用的先后顺序相同的回波信号。不同的地物目标得到的回波信号差距很大，当系统发射的激光脉冲遇到较高的地物面时回波信号变窄，遇到倾斜的地物面时回波信号波形展宽且波形强度也会有不同程度的变化 ^[1]。

理论或模型所驱动的回波信号强度处理方法通常基于LIDAR距离方程（也称为激光雷达距离方程或简称为雷达方程），其起源于微波雷达领域 A^[3]。 LIDAR范围方程的许多形式可以在已发表的文献中找到^[4-6]，该等式将接收的光功率与发射功率和与系统、采集几何结构、环境和目标特性相关的其他参数相关联。国内关于全波形激光雷达的研究重点多在于数据分解 ^{[1, 7,8]}，并应用于大气探测 ^[2]、森林冠层参数反演 ^{[9, 10]}等领域。然而在应用过程中，多直接对全波形激光雷达获得的数据进行分解，而未考虑到回波信号遇到不同三维结构参数的树木时返回信号的特征。

国外广泛研究的激光雷达强度的主要应用是对自然和城市覆盖表面进行分类。刚开始Song等^[11]和Charaniya等 ^[12]表明，强度数据可以分离典型的土地覆盖表面，如沥青路面、草地、树木和ALS扫描中捕获的屋顶。Brennan和Webster ^[13]以及Matikainen等 ^[14]开发了建筑结构检测和分类方法。Arnold等^[15]使用强度数据来区分冰雪覆盖的区域和冰川中的冰。Im等 ^[16]进行了测试，以评估土地覆盖分类的不同特征，并发现将LIDAR强度添加到分类特征导致结果准确性增加10％至20％。LIDAR强度也被用作其他遥感数据的补充特征，用于土地覆盖分类。Zhou等 ^[17]使用激光雷达强度数据来促进航拍图像中阴影区域的土地覆盖分类。MacFaden等 ^[18]使用激光雷达强度来检测航拍图像中无法检测到的不透水表面。相对于传统的离散激光雷达只能够获取单次脉冲的有限次回波和对应的强度值相比，全波形激光雷达对发射和后向散射脉冲进行小时间间隔的采样并将对应的强度值进行记录，可从波形中提取森林参数等 ^[19]。在2006年，维也纳工业大学的Vesna Ducic等人 ^[20]通过对后向散射回波波形进行波形分解后，利用多提取的组分回波宽度和组分数对实测点云数据进行了滤波，并采用决策树对测区中的点云进行了分类，整体精度达到88.9%。2007年，J．Reit—berger等人 ^[21]提出了一种基于全波形激光雷达数据，通过三步来实现树木分割的算法，首先提取分割出处于第一次和最后一次回波之间的组分；通过聚类，分割出的点云中的目标点；再次通过基于RANSAC平差的方法对第二步探测聚类出的目标进行重建。并经过试验验证对于落叶林木和针叶林木的成功探测率分别为44%和61%。

国内外文献都表明，在研究自然覆盖表面时，目前仅直接使用离散激光雷达数据作为数据源，而离散激光雷达数据是由全波形激光雷达数据分解而来。少数直接使用全波形激光雷达数据进行的研究，也仅考虑了雷达方程中所涉及的接收的光功率与发射功率和与系统、采集几何结构、环境和目标特性相关的其他参数，而森林三维结构参数作为自然表面影响回波信号的一个重要模块，未被引入影响因素考虑范围。因此，综合现有理论和研究不足，本文将在模拟树木全波形激光雷达数据的基础上，引入三维结构参数变量，分析全波形激光雷达数据对各基本树木冠层三维结构参数的响应机制，为雷达方程在林业应用方面的改进打下基础。

1.2研究意义

（1）DART可以模拟任意角度、光谱和空间分辨率影像，国内外已有多位研究学者利用 DART 模型模拟结果作为多角度观测的参考数据完成相关研究，但应用DART进行全波形数据模拟的研究较少，现有研究多直接应用DART高斯分解后的离散数据。本文直接从全波形激光雷达数据入手，提高回波信号应用率。

（2）在研究方法上，已有很多文献使用雷达方程进行全波形数据的模拟分解，来反演森林结构参数，且获得了不错的精度。但均未考虑森林三维结构参数本身对回波信号的影响。本文拟从数据获取源头引入森林三维结构参数，改进基础雷达方程。{title}

2. 研究的基本内容与方案

{title}

2.1研究目标

本研究的目标是，完成基于不同树种三维模型和Dart模型的全波形激光雷达数据模拟并研究其响应机制：