蔡龍濤 岳春宇 黃 縉 賀 濤 國愛燕 邢艷秋

(1.東北林業(yè)大學工程技術學院，哈爾濱 150040；2.北京空間機電研究所，北京 100094；3.中國空間技術研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)

0 引言

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生物圈中占地面積最大、結構組成最為復雜以及物質(zhì)資源最為豐富的生態(tài)系統(tǒng)。森林面積約3.815×109hm2，占全球陸地總面積的25.60%[1]，生物量約占地球陸地生態(tài)系統(tǒng)總生物量的90%[2]，碳儲量約占全球碳儲量的45%[3]。森林生態(tài)系統(tǒng)在抑制全球變暖、降低碳排放和促進碳循環(huán)方面有著重要作用。為確定2030年和2060年是否能完成碳達峰和碳中和任務，需對國內(nèi)森林資源進行高精度動態(tài)監(jiān)測。

森林資源調(diào)查是了解森林資源動態(tài)變化的有效手段，傳統(tǒng)森林資源調(diào)查費時費力，且難以實現(xiàn)大區(qū)域尺度森林生物量觀測研究[4-6]，目前多采用激光雷達進行森林資源調(diào)查。而激光雷達作為一種主動遙感技術，其發(fā)射器發(fā)射的激光脈沖具有較強的穿透力，可穿透森林冠層以探測林下結構和地表信息，實現(xiàn)森林植被信息的動態(tài)觀測。目前，已接收星載激光雷達回波波形的對地觀測衛(wèi)星有ICESat1(Ice,cloud,and land elevation satellite)、GF-7和GEDI(Global ecosystem dynamics investigation)，后續(xù)即將發(fā)射的星載激光雷達波形類對地測高衛(wèi)星為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星[7]和MOLI(Multi-footprint observation LiDAR and imager)衛(wèi)星[8]。國外星載激光雷達波形類衛(wèi)星如ICESat-GLAS(Geoscience Laser Altimeter System)波形數(shù)據(jù)已用于冰川探測[9-11]、水位探測[12]、地物分類[13-15]和估測森林資源[16-17]；GEDI衛(wèi)星波形數(shù)據(jù)同樣在樹高估測[18-20]、植被覆蓋度[21]和森林生物量估測[22-24]方面取得了一定進展。而國產(chǎn)星載激光雷達波形類衛(wèi)星還未發(fā)射，目前該衛(wèi)星尚處于技術攻關階段，其波形數(shù)據(jù)應用潛力有待挖掘。

為探究國產(chǎn)星載激光雷達波形數(shù)據(jù)在森林資源調(diào)查方面應用潛力，對其回波波形進行模擬仿真是其中重要的環(huán)節(jié)。李松等[25]對星載激光雷達回波波形模擬仿真時把地形分為斜坡地形和階梯地形。潘浩等[26]對回波波形模擬仿真時發(fā)現(xiàn)冠層回波與地面回波重疊程度隨地形坡度增大而增大。龐勇等[27]發(fā)現(xiàn)隨著地形坡度增大，仿真波形中地面波峰和植被波峰值隨之降低,且冠層回波與地面回波發(fā)生信息混疊。其他研究多基于機載點云數(shù)據(jù)對星載激光雷達回波波形進行模擬仿真[28-29]。然而，上述研究并未從地形起伏特點方面對地表進行模擬仿真，且回波仿真過程中未考慮激光脈沖在大氣傳輸過程中的能量衰減問題，以及探究多種因素(如地形坡度、郁閉度和森林類型)對回波波形仿真精度的影響。

本文依據(jù)有限元原理，基于林地地形隨機分布特點，建立隨機地形；考慮到激光脈沖在大氣傳輸過程中能量的衰減，波形仿真過程中加入激光雷達輻射傳輸模型；利用回波仿真原理[30]，分別對GLAS發(fā)射波，不同地形坡度、郁閉度和森林類型條件下回波波形進行模擬仿真。依據(jù)GLAS實測波形與仿真波形相關性分析結果，對所建回波仿真系統(tǒng)有效性進行驗證。然后利用本文建立的回波仿真系統(tǒng)，對國產(chǎn)星載激光雷達回波波形進行模擬仿真。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為吉林省汪清林業(yè)局經(jīng)營區(qū)(圖1)，該區(qū)域屬于長白山系中低山區(qū)(43°5′～43°40′N,129°56′～131°4′E)，地處寒溫帶，總面積3.04×105hm2，南北長約60 km，東西長約85 km，地面高程變化范圍為360～1 477 m，地形坡度變化范圍為0°～45°。

圖1 研究區(qū)位置及野外樣地分布Fig.1 Location of study area and distribution of field sampling plots

林區(qū)內(nèi)森林覆蓋率達到95.95%，深山區(qū)林分以針葉林、闊葉林和混交林為主，帶狀分布于海拔500～1 100 m之間。針葉樹主要有紅松(PinuskoraiensisSieboldetZuccarini)、云杉(PiceaasperataMast.)和臭冷杉(Abiesnephrolepis(Trautv.)Maxim.)，闊葉樹多為椴樹(TiliatuanSzyszyl.)、蒙古櫟(QuercusmongolicaFischerexLedebour.)、楓樺(BetulacostaTrautv.)、色木槭(AcermonoMaxim.)和白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)等。

1.2 研究數(shù)據(jù)

1.2.1ICESat-GLAS波形數(shù)據(jù)

為驗證本文建立的回波仿真系統(tǒng)有效性，本文選用應用較為成熟的ICESat-GLAS波形數(shù)據(jù)，對GLAS發(fā)射波仿真波形和GLAS回波仿真波形進行相關性分析。結合相關性分析結果驗證本文所建回波仿真系統(tǒng)有效性。

ICESat-1/GLAS是第1個極地軌道大光斑激光雷達衛(wèi)星，該衛(wèi)星共提供15個數(shù)據(jù)產(chǎn)品：GLA01～GLA15。其中，GLA01數(shù)據(jù)產(chǎn)品記錄了GLAS發(fā)射波和回波波形數(shù)據(jù)；GLA14數(shù)據(jù)產(chǎn)品記錄了GLAS波形數(shù)據(jù)對應的地面光斑地理位置和高程數(shù)據(jù)。GLAS波形數(shù)據(jù)可從美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心(http:∥nsidc.org/data/ice-sat/)下載，美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心擁有2003年至2009年采集的所有ICESat-GLAS回波波形數(shù)據(jù)。GLAS載荷參數(shù)如表1所示。

表1 ICESat-GLAS回波仿真相關載荷參數(shù)Tab.1 Load parameters of ICESat-GLAS for echo simulation

1.2.2國產(chǎn)星載激光雷達載荷參數(shù)

目前，國產(chǎn)星載激光雷達所搭載的衛(wèi)星還未發(fā)射，無法獲取國產(chǎn)星載激光雷達實測波形。為探究國產(chǎn)星載激光雷達回波波形在森林結構參數(shù)估測方面應用潛力，本文基于國產(chǎn)星載激光雷達載荷參數(shù)和實地調(diào)查數(shù)據(jù)，結合回波仿真原理[30]對國產(chǎn)星載激光雷達回波波形進行模擬仿真，以獲取國產(chǎn)星載激光雷達仿真波形。國產(chǎn)星載激光雷達回波波形模擬仿真過程涉及到的載荷參數(shù)如表2所示。

表2 國產(chǎn)星載激光雷達載荷參數(shù)Tab.2 Load parameters of domestic spaceborne LiDAR

1.2.3實地調(diào)查數(shù)據(jù)

本文利用分層隨機采樣法，選取286組光斑數(shù)據(jù)，其中森林樣地251組，其他類型樣地如水地、裸地和草地等共計35組。分別于2006年9月、2007年9月和2010年9月3次采集獲取。其中，實地調(diào)查樣地點位分布圖如圖1所示。在實地勘測過程中，以針葉林、闊葉林和針闊混交林作為研究對象，使用GPS對已選定的激光光斑采樣點進行定位，把驗證數(shù)據(jù)對應光斑中心點作為地面調(diào)查樣地的圓心，依據(jù)公式πR2cosθ=500 m2，建立水平投影面積為500 m2的圓形樣地，記錄樣地內(nèi)植被分布情況、植被類型和植被覆蓋度、樣地坡度與對應樣地半徑。另外，對針葉林、闊葉林和混交林分類時，主要結合我國森林資源調(diào)查主要技術規(guī)定，將針葉林蓄積量占總蓄積量65%以上的樣地定義為針葉林，闊葉林蓄積量占總蓄積量65%以上的樣地定義為闊葉林，任何一個樹種蓄積量占總蓄積量不到65%的樣地定義為混交林。

1.3 回波仿真相關原理

1.3.1基于有限元原理構建地表響應函數(shù)模型

本文所選林分為天然林，林分內(nèi)樹種多樣，林層結構復雜，難以實現(xiàn)光斑內(nèi)林分信息三維模擬仿真。本文依據(jù)有限元原理，以光斑中心為原點，自原點出發(fā)，0.05 m為間隔把正圓劃分為不同直徑的同心圓。然后以原點為中心，從極坐標0°開始，以3°為間隔畫直線把光斑等分成120個扇形。直線和同心圓共同把光斑劃分為72 000個小區(qū)域，如圖2所示。

圖2 光斑劃分示意圖Fig.2 Schematic of spot division

星載激光雷達光斑劃分為若干扇形小區(qū)域后，在垂直方向上以0.15 m為間隔對光斑內(nèi)地物進行垂直分層。假定在垂直方向上可分為m層，每層有k個小區(qū)域，統(tǒng)計每層(第j層)小區(qū)域內(nèi)地物在地面的投影面積，并將所有層地物投影面積按時間序列排列起來，可構成地表響應函數(shù)模型，計算式為

(1)

G(t)={N(t(1),t(2),…,t(m))}

(2)

式中t(j)——發(fā)射波與第j層地面目標物接觸時的時刻

N(j)——第j層地面目標物在地面的投影面積

Ni——第j層第i個小區(qū)域在地面投影面積

G(t)——地表響應函數(shù)

1.3.2回波仿真模型

依據(jù)回波仿真原理[30]，星載激光雷達回波波形為發(fā)射波函數(shù)與地表響應函數(shù)(后向散射截面的集合)的卷積。若不考慮大氣影響，回波仿真模型定義為

E(t)=F(t)*G(t)

(3)

式中E(t)——回波波形

F(t)——激光發(fā)射脈沖函數(shù)

*——卷積運算符

本文所用樣地在地面投影為直徑25.2 m的正圓，而驗證數(shù)據(jù)對應光斑直徑為70 m，兩者覆蓋區(qū)域面積相差較大，不同區(qū)域內(nèi)林木個數(shù)同樣存在較大差異。為高精度模擬仿真國產(chǎn)星載激光雷達回波波形，需對直徑25.2 m樣地林木個數(shù)進行擴展，在保證林木密度、森林類型和郁閉度相同的條件下把光斑直徑擴展到70 m，近似模擬70 m光斑內(nèi)林分地面三維信息。

1.3.3激光雷達輻射傳輸模型

激光脈沖在大氣中傳輸過程中，受到大氣分子、水蒸氣和氣溶膠等因素影響，產(chǎn)生一系列物理反應(如大氣折射、后向散射和大氣分子吸收等)，這些反應使得激光脈沖能量值產(chǎn)生一定程度衰減。其中，激光在大氣中的透過率決定了激光脈沖回波波形的振幅值，該投過率可由朗伯-比爾定律[31]表示，公式為

(4)

式中τatm(λ)——波長為λ時激光脈沖在大氣中的單程投過率

L——激光脈沖發(fā)射器與目標物之間的距離

β(λ)——波長為λ時總衰減系數(shù)

其中β(λ)由4部分構成[32]

β(λ)=σm+σa+sm+sa

(5)

式中，σm、σa分別為分子、氣溶膠吸收系數(shù)，sm、sa分別為分子、汽溶膠散射系數(shù)。另外，大氣總衰減系數(shù)值一般為0.5[26]。

1.4 星載激光雷達回波波形信噪比

星載激光雷達實測回波波形中存在大量噪聲數(shù)據(jù)。為高精度模擬仿真國產(chǎn)星載激光雷達回波波形，需對國產(chǎn)星載激光雷達理論仿真波形進行添加噪聲處理。本文對驗證數(shù)據(jù)回波波形進行信噪比分析，以確定國產(chǎn)星載激光雷達回波波形添加混合噪聲信噪比設定值。其中，星載激光雷達回波波形信噪比定義公式[33]為

(6)

式中RSNR——信噪比

s(i)——去噪前驗證數(shù)據(jù)回波波形

f(i)——去噪后驗證數(shù)據(jù)回波波形

1.5 混合噪聲模擬

星載激光雷達回波波形為大尺度遙感數(shù)據(jù)[34]，激光脈沖在大氣傳輸過程中經(jīng)由兩次菲涅耳衍射后，得到的回波波形為多模式復雜曲線，其中混入了探測器噪聲、背景噪聲、量子噪聲和熱噪聲等若干高斯分量,這些噪聲數(shù)據(jù)中除背景噪聲為非零均值高斯白噪聲外，其余噪聲均認為是零均值高斯白噪聲[35-37]。

由于星載激光雷達回波波形中大部分噪聲數(shù)據(jù)可視為零均值高斯白噪聲，因此，本文加入高斯白噪聲以代替星載激光雷達回波波形中的噪聲數(shù)據(jù)。另外，加入的噪聲數(shù)據(jù)可通過改變信噪比的方式進行控制?；旌显肼暷M公式為

(7)

其中

DRN=DRawRN-mean(DRawRN)

(8)

式中Dnoise——混合噪聲模擬數(shù)據(jù)

DSNRV——信噪比設定值

DRawRN——隨機波形數(shù)據(jù)，波形長度為544

W——國產(chǎn)星載激光雷達理論仿真波形數(shù)據(jù)

n——國產(chǎn)星載激光雷達回波波形幀數(shù)，取544

std()——標準差函數(shù)

mean()——求平均值函數(shù)

2 實驗與結果分析

按照統(tǒng)計學標準，樣本抽樣個數(shù)一般不低于30。本文對仿真波形進行相關性分析時，從樣本總個數(shù)較多(超過30)的樣本中隨機抽取30個樣本數(shù)據(jù)作為調(diào)查數(shù)據(jù)，進行相關性分析；對樣本總個數(shù)較少(低于30)的樣本整體進行相關性分析。

2.1 發(fā)射波波形

基于驗證數(shù)據(jù)對應測高系統(tǒng)載荷參數(shù)，結合發(fā)射波函數(shù)模型[30]，對其發(fā)射波波形以及發(fā)射波激光脈沖能量分布進行模擬仿真，仿真結果如圖3所示。

圖3 發(fā)射波仿真波形與激光脈沖能量分布示意圖Fig.3 Schematics of emission wave simulation waveform and laser pulse energy distribution

對比分析發(fā)射波仿真波形與實測波形，發(fā)現(xiàn)發(fā)射波實測波形波峰點與發(fā)射波仿真波形波峰點之間存在一定距離偏移，如圖4a所示。據(jù)激光雷達測高原理與發(fā)射波函數(shù)可知，回波波形測距結果不會因發(fā)射波波峰位置變化而改變。故本文在對發(fā)射波仿真波形進行驗證時，可對其波形波峰點進行左右平移，以獲取發(fā)射波仿真波形與發(fā)射波實測波形相關系數(shù)最大值，并把該值作為發(fā)射波仿真波形與發(fā)射波實測波形相關系數(shù)。平移后發(fā)射波仿真波形與實測波形示意圖如圖4b所示。

圖4 波峰點平移前后發(fā)射波仿真波形與實測波波形示意圖Fig.4 Schematics of transmitted wave simulated waveforms and measured waveforms before and after crest point was shifted

平移前發(fā)射波仿真波形與發(fā)射波實測波形相關系數(shù)為0.32。平移后發(fā)射波仿真波形與發(fā)射波實測波形相關系數(shù)為0.96。研究結果表明發(fā)射波仿真波形波峰點平移對相關性分析結果會產(chǎn)生較大影響，而不會影響測距結果。因此，有必要對發(fā)射波仿真波形波峰點進行平移，以獲取發(fā)射波仿真波形與發(fā)射波實測波形相關系數(shù)最大值，并把該值作為兩者相關系數(shù)實際值。

研究中隨機選取30組發(fā)射波實測波形，與發(fā)射波仿真波形進行相關性分析，得出發(fā)射波仿真波形波峰點平移之后與發(fā)射波實測波形相關系數(shù)均值為0.96。研究結果顯示發(fā)射波仿真波形與發(fā)射波實測波形具有較高的相關性，表明本文建立的發(fā)射波仿真模型可對國產(chǎn)星載激光雷達發(fā)射波波形進行模擬仿真。

2.2 光斑內(nèi)地面信息三維模型

為高精度模擬仿真國產(chǎn)星載激光雷達回波波形，需對林木和林地地形高精度模擬仿真。本文依據(jù)林木冠層結構把針葉樹冠型定義為橢球體型，闊葉樹冠型定義為橢球體型、上半球體型和下半球體型。本文在李松等[25]研究基礎上，依據(jù)實測林地內(nèi)地形無規(guī)律分布特點，通過有限元原理，獲取了每個小區(qū)域內(nèi)地物三維坐標，并對其進行曲面擬合，建立了隨機地形，如圖5a所示。該地形無規(guī)律起伏的特點，增大了模擬地形的地表粗糙度，提高了實際地形仿真精度。之后，聯(lián)合林木冠型定義方式和隨機地形，對光斑內(nèi)林分進行了三維建模，建模結果如圖5b所示。

圖5 隨機地形和林分三維模擬示意圖Fig.5 Three-dimensional simulation diagrams of random terrain and forest stands

2.3 仿真波形添加混合噪聲

結合1.5節(jié)混合噪聲模擬原理，對國產(chǎn)星載激光雷達仿真波形進行添加噪聲處理：首先，基于混合噪聲模擬公式(7)獲取噪聲波形，噪聲波形獲取過程中可通過改變信噪比確定添加混合噪聲數(shù)據(jù)的大??；然后，把混合噪聲波形數(shù)據(jù)與國產(chǎn)星載激光雷達仿真波形數(shù)據(jù)對應幀數(shù)振幅相加，可得帶有噪聲數(shù)據(jù)的國產(chǎn)星載激光雷達仿真波形，如圖6a所示。

圖6 國產(chǎn)星載激光雷達仿真波形添加噪聲示意圖Fig.6 Schematics of adding noise to simulation waveform of domestic spaceborne LiDAR

2.4 仿真波形驗證

2.4.1不同地形坡度回波波形

地形坡度較大區(qū)域，星載激光雷達回波波形存在波形展寬現(xiàn)象[38-39]，影響森林結構參數(shù)估測精度[40]。為探究本文所建回波仿真系統(tǒng)在不同地形坡度條件下是否有效，以10°為間隔把地形坡度分為0°～10°、10°～20°、20°～30°和30°以上共4個小組，對不同地形坡度條件下回波仿真波形與實測波形進行相關性分析，結果如表3所示。

由表3可知，回波仿真波形與實測波形相關系數(shù)整體隨地形坡度增大而降低。分析其原因：地形坡度較大時，星載激光雷達回波波形出現(xiàn)波形展寬現(xiàn)象[38-39]，且據(jù)實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)地形坡度較大時光斑內(nèi)地形呈無規(guī)律起伏分布，以致回波仿真波形與實測波形存在較大差異，降低了仿真波形與實測波形相關性。

表3 不同地形坡度回波波形仿真精度Tab.3 Simulation accuracy of received waveform under different terrain slopes

2.4.2不同郁閉度回波波形

林分郁閉度為林分在地面的投影面積與林地面積之比，對森林每年碳增量存在較大影響[41]。研究中以0.2為間隔，將郁閉度分為0～0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8、0.8～1.0等5個范圍，對不同郁閉度條件下回波仿真波形與實測波形進行相關性分析，結果如表4所示。

表4 不同郁閉度回波波形仿真精度Tab.4 Simulation accuracy of received waveform under different canopy covers

由表4可知，仿真波形與實測波形相關系數(shù)隨郁閉度增大呈先減小后增大的趨勢。分析其原因：對郁閉度范圍為0～0.2和0.2～0.4條件下仿真波形與實測波形相關系數(shù)進行分析，發(fā)現(xiàn)郁閉度較小條件下(低于0.2)的林分，其冠層反映在回波波形上為回波波形振幅偏低，且冠層回波能量之和較小。因此，仿真波形中冠層回波波形與實測波形中冠層回波波形振幅值相差較小，且郁閉度在0～0.2條件下地形坡度平均值為9.24°，低于郁閉度0.2～0.4條件下地形坡度平均值10.50°，以至郁閉度在0～0.2條件下仿真波形與實測波形相關系數(shù)高于郁閉度在0.2～0.4條件下仿真波形與實測波形相關系數(shù)。

針對仿真波形與實測波形相關系數(shù)隨郁閉度(郁閉度大于0.2)增大而增大的問題，分析其原因：依據(jù)回波仿真原理[30]，林分郁閉度可直接影響星載激光雷達回波振幅，而郁閉度越大表明林分中林木個數(shù)越多。由于林木在林分中隨機分布，光斑內(nèi)林木個數(shù)越多，地面信息三維仿真模型與實際地面信息越相近，極端條件下如郁閉度為1時，林木隨機分布這一因素對回波波形仿真精度的影響達到最小。因此，郁閉度大于0.2后，仿真波形與實測波形相關系數(shù)隨郁閉度增大而增大。

2.4.3不同森林類型回波波形

不同森林類型條件下星載激光雷達回波波形森林結構參數(shù)估測精度存在較大差異[42]。為驗證本文所建回波仿真系統(tǒng)在不同森林類型條件下是否有效，研究中分別對針葉林、闊葉林和混交林回波仿真波形與實測波形進行相關性分析，結果如表5所示。

表5 不同森林類型回波波形仿真精度Tab.5 Simulation accuracy of received waveform under different forest types

由表5可知不同森林類型條件下仿真波形與實測波形相關系數(shù)整體從小到大依次為針葉林、闊葉林和混交林。

依據(jù)林木冠形特征和地形分布規(guī)律，對不同森林類型條件下仿真波形和實測波形相關系數(shù)差異性進行分析：發(fā)現(xiàn)針葉樹冠型多為圓錐體型，冠層枝葉多分布于冠層中下部位置，反映在回波波形上表現(xiàn)為針葉林冠層回波波形與地面回波波形之間距離較近。當?shù)匦未嬖谝欢ㄆ露葧r，受波形展寬影響，冠層回波波形與地面回波波形存在一定程度的重疊；且受林木隨機分布影響，地形坡度越大，冠層回波波形與地面回波波形重疊度越大。因此，針葉林仿真波形和實測波形相關系數(shù)較低。相對于針葉林，闊葉樹冠型多為橢球體型、上半球體型和下半球體型，冠層枝葉多集中于冠層中上部位置，反映在回波波形上表現(xiàn)為闊葉林冠層回波波形與地面回波波形之間距離較遠。一定地形坡度條件下，冠層回波波形與地面回波波形重疊度較低。因此闊葉林仿真波形和實測波形相關系數(shù)高于針葉林仿真波形和實測波形相關系數(shù)。相對于針葉林和闊葉林，混交林同時存在針葉樹和闊葉樹，反映在回波波形上表現(xiàn)為冠層回波波形與地面回波波形既存在重疊部分，也存在未重疊部分。重疊部分仿真波形多為針葉樹冠層回波，該波形與光斑內(nèi)針葉樹冠層實測波形相關性較高(任意地形坡度下)；未重疊部分仿真波形多為闊葉樹冠層回波，該波形與光斑內(nèi)闊葉樹實測回波波形相關性較高(任意地形坡度下)。因此，任意地形坡度下，仿真波形中冠層回波與地面回波重疊部分和未重疊部分都與實測波形具有較高相關性，表現(xiàn)在仿真波形與實測波形相關性上為混交林仿真波形與實測波形具有更高的相關性。

2.5 國產(chǎn)星載激光雷達回波仿真波形

對251組驗證數(shù)據(jù)回波波形進行信噪比分析，發(fā)現(xiàn)驗證數(shù)據(jù)回波波形信噪比均值為19。因此，本文對國產(chǎn)星載激光雷達理論仿真波形添加噪聲時，把混合噪聲信噪比設定為19。

2.4節(jié)已驗證本文建立的回波仿真系統(tǒng)有效性，依據(jù)該回波仿真系統(tǒng)，結合國產(chǎn)星載激光雷達載荷參數(shù)和實地調(diào)查數(shù)據(jù)，可對國產(chǎn)星載激光雷達回波波形進行模擬仿真。星載激光雷達回波波形受地形坡度影響較大[38-39]，故本文以地形坡度為例，分別對坡度0°、10°、20°和30°條件下國產(chǎn)星載激光雷達回波波形進行模擬仿真，仿真結果如圖7所示。

圖7 不同地形坡度仿真波形示意圖Fig.7 Schematics of simulation waveforms under different terrain slopes

對圖7中不同地形坡度條件下國產(chǎn)星載激光雷達仿真波形進行分析，發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)星載激光雷達仿真波形中地面回波波形長度隨地形坡度增大而增大。這與星載激光雷達回波波形受地形坡度影響結果相同[38-39]，說明本文所建回波仿真系統(tǒng)適用于國產(chǎn)星載激光雷達回波波形模擬仿真。

3 結論

(1)驗證數(shù)據(jù)發(fā)射波仿真波形與實測波形相關系數(shù)均值為0.96，表明本文所得發(fā)射波波形可用于星載激光雷達回波波形模擬仿真。

(2)利用有限元原理可實現(xiàn)林分三維信息的模擬仿真，且構建的隨機地形與實際地形起伏規(guī)律更為相近，可用于國產(chǎn)星載激光雷達回波波形模擬仿真。

(3)不同地形坡度、郁閉度和森林類型條件下驗證數(shù)據(jù)仿真波形與實測波形相關系數(shù)均值分別為0.87、0.85和0.87；且國產(chǎn)星載激光雷達仿真波形中地面回波波形長度隨地形坡度增大而增大，與波形展寬現(xiàn)象一致。表明本文所建回波仿真系統(tǒng)可用于星載激光雷達回波波形模擬仿真。