森林是陆地生态系统的重要组成部分，碳循环和全球气候变化的研究需要全球范围大量的高精度的森林参数。由于森林生态系统空间结构的复杂性及森林资源地域分布的广泛性，森林资源的调查和森林生态监测迫切需要专门的遥感技术提供定性和定量的数据。星载激光测高仪是一种新型主动遥感系统，具有测距精度高、全天时连续观测、全球范围覆盖、抗干扰能力强，植被穿透性好等优点，可以获取高分辨率的目标垂直高度信息。
　　目前，全球还没有专门针对森林监测的测高卫星，为了更好地发挥激光测高仪在森林调查中的作用，本论文围绕国家已立项的陆地生态系统碳监测卫星激光测高载荷的设计和应用需求，建立了基于辐射传输模型的半解析植被模型和简化的卫星激光测高森林回波模型，系统地分析了测高仪的各项系统参数、地表和植被参数对激光回波特征参数的定量影响，改进完善了森林回波数据处理方法和冠层高度反演方法，并利用国内外典型植被地区的GLAS数据，基于本文所提出方法，进行了森林冠层高度的反演验证研究。论文开展了针对森林目标的星载激光测高仪的理论建模和系统参数优化、回波数据处理和植被参数反演应用三个层面的理论和技术研究。论文的主要工作包括以下几个方面：
　　1.从星载激光测高系统的经典回波理论出发，建立了森林目标回波的简化解析模型，推导了植被回波的分解条件，基于此分析了适合森林目标观测的光束发射角，论证了减小光斑直径可降低森林回波对坡度变化的敏感性，提高激光测高仪回波数据的可用性，卫星轨道高度在约500km时，激光测高仪光束发散角以60μrad为宜，即30m的光斑直径。推导了三种典型激光光斑的空间能量分布形式时的分解制约条件，论证了基模高斯光斑的森林植被回波分解的坡度阈值较高，有利于森林目标的探测。按照林业调查的抽样精度要求，计算所需的抽样光斑数，提出3波束即可满足调查抽样精度。该成果在陆地生态系统碳监测卫星激光测高载荷系统设计中得到应用。
　　2.以森林植被目标的几何参数和光学参数为输入，建立了植被目标的离散三维空间模型，基于辐射传输理论，构建了针对森林植被目标的激光测高仪的半解析回波模型，并开发了星载激光测高仪的森林植被目标回波波形仿真器。通过分析大量样地测量数据，获得森林树高分布和树冠分布的统计规律，构建无偏的森林空间分布模型，将其作为输入，计算得到的仿真回波，与GLAS样地实测回波显著相关，平均决定系数R2达到0.91。证明了基于森林实测样地树高分布和树冠分布构建的无偏森林空间分布模型，以及森林波形仿真器的正确性。
　　3.利用基于半解析模型建立的森林植被目标的回波仿真器，定量分析了系统参数、地形参数和植被冠层参数对回波波形的影响。大量仿真结果表明，地表坡度、粗糙度和冠层高度共同影响回波的波形长度。波形长度增量和地表回波展宽增量的差值，在0~30°的坡度上几乎不变，仅有1~5ns，对应高度值0.15~0.75m；由粗糙度引起的变化量绝对值在10ns量级，变化量差值低于5ns，对应高度值0.75m。因此，地表回波的脉冲展宽量能综合反映地表坡度和粗糙度的影响，可以用于植被高度反演修正。
　　4.提出了基于森林目标回波特性约束的可变带宽高斯滤波，结合高斯迭代分解的波形数据处理算法，提高了森林回波的物理可解释性，减少了分解子波的错误定位几率，在正确分解混叠波形的同时，抑制了过拟合而产生的伪子波。本文分解算法和NASA算法拟合829个数据点，与原始波形数据的相关性分析R2＞0.95的回波分别占97.46%和94.33%，R2＞0.90的回波分别占99.76%和97.95%。与经典的高斯拐点方法相比，用本文提出的算法处理植被回波，在子波波形拟合精度提高的同时，可以分解得到更多的子回波，即可以得到更多的目标植被分层信息。
　　5.对经典的冠层高度反演物理几何模型进行改进，提出一种新的最大冠层高度和平均冠层高度的反演方法，能够突破统计法中需要大量实测数据作回归分析的限制，又可以不依赖DEM数据，仅使用波形特征参数估算冠层高度。选取美国Teton森林公园地区和中国河南省嵩山森林公园区域作为示范区域，使用GLAS数据和本文算法，在美国Teton森林公园和中国嵩山地区的最大冠层高度反演中，RMSE分别为2.81m和2.98m，R2分别为0.67和0.61，两个区域的反演结果都优于现有的经典方法。