激光雷达（Light Detection And Ranging,LiDAR）是对地观测领域的前沿技术之一,凭借其直接、快速、精准获取三维空间信息的优势,已在林业、测绘、电力、数字城市等领域显示出巨大的应用潜力。为更好地利用LiDAR技术,需要深入探索地物辐射、空间结构、LiDAR遥感平台观测间的物理联系,提高LiDAR遥感定量化应用水平。LiDAR信号模拟模型能够模拟激光脉冲与地表场景间相互作用过程,已成为解决LiDAR定量遥感领域诸多关键问题（如传感器设计、地表参数定量反演等）的有效手段。就目前的LiDAR系统而言,全波形LiDAR对激光返回信号进行固定间隔连续采样,获取的数据能够反映光斑内地物完整的垂直结构信息,离散点云、光子计数LiDAR数据均可视为全波形数据进一步采样的结果。基于上述背景,本文开展了LiDAR波形模拟模型与定量化研究:创建了LiDAR波形模拟模型;利用该模型开展了多因素对LiDAR森林回波的敏感性分析,提出了基于波形模拟模型的传感器参数设计与验证方法,提出了系列地表参数定量反演物理模型等。主要工作和结论如下:（1）创建了DART-Lux LiDAR波形模拟模型。针对已有LiDAR波形模拟模型未定量表达LiDAR传感器工作原理且在模拟大区域复杂场景信号时效率低等问题,本文所提DART-Lux模型建立了模仿真实传感器的激光光源模型和接收器模型,并利用三角面片、浑浊体素或二者组合来构建三维地表场景,将计算机图形学领域先进算法（双向路径追踪算法、多重重要性采样策略、直接光源采样策略、几何体实例化技术）引入到LiDAR遥感三维辐射传输建模领域,实现LiDAR波形信号精确模拟。经与已有模型对比验证,结果表明DART-Lux模型精度高（R2=1,rRMSE=0.21%）、效率高（耗时减少一半以上）且占用内存小（内存占用减小百倍）;与实际波形验证结果也表明DART-Lux模拟精度较高（R2=0.88,RMSE=0.0016）,能够满足不同地表覆盖下波形信号模拟的需求。（2）建立了LiDAR森林冠层散射组分表达模型,探索激光在森林冠层的散射机制。将DART-Lux LiDAR波形模拟模型与叶片反射率模型PROSPECT、森林生长模型TASS相耦合,建立了LiDAR森林冠层散射组分表达模型并开展多因素对LiDAR森林回波的敏感性分析,进而探索激光在森林冠层中的散射机制。结果表明,激光在林冠中的多次散射会增大回波强度;不同时延下接收的森林冠层散射组分与地物垂直分布有关;激光在冠层中发生的多次散射受激光波段、森林结构参数、叶片生化参数、地形坡度等因素影响。（3）提出了全波形LiDAR传感器参数设计与验证方法,包括大光斑LiDAR光斑尺寸设计方法和星载LiDAR光斑水平定位精度评估方法。其中,光斑设计方法将林业和地形应用需求进行量化表达作为LiDAR波形模拟模型的约束条件,最终得出面向林业应用的光斑直径应为10.6 m～25.0 m,面向地形应用的光斑直径应小于32.3 m;光斑水平定位精度评估方法通过波形模拟模型将真实LiDAR波形与三维地表场景进行匹配,最匹配的光斑位置被认为是真实光斑位置,以此评估光斑水平定位精度,分析表明该方法仅适用于城市等具有明显高度特征的区域,在城市区域该方法测得激光卫星ICESat/GLAS光斑水平定位精度为8.19 m。（4）提出了系列地表参数定量反演模型。在地形应用中,提出基于星载LiDAR的地形坡度估算模型,该模型考虑了光斑形状、朝向、大小、地形坡向等因素,相比未考虑这些因素的坡度估算模型,精度提高约15%。在植被应用中,提出联合LiDAR全波形和中分辨率遥感影像的森林叶面积指数反演模型,该模型校正了光斑内的冠间聚集效应,反演精度为RMSE=0.39,R2=0.83。在建筑物应用中,提出联合星载全波形和高分辨率遥感影像的多级建筑物高度提取方法,实现了亚光斑尺度多目标空间三维信息精确提取,经验证该方法提取精度达到R2=0.97,r RMSE=13.2%。