星载光子计数激光雷达作为一种新的探测体制激光雷达，已开始应用于海面测量。然而受海风等多种因素的影响，海面存在一定的粗糙度和较大的起伏变化，因此光子计数激光雷达返回的信号点云在返回能量和信号光子分布上存在较大的变化，潜在的影响到了海面高程测量精度。本文基于JONSWAP海浪谱和微面元模型理论，结合蒙特卡洛方法建立了光子计数激光雷达海洋目标的仿真模型。以ICESat-2星载光子计数激光雷达的系统参数作为输入，仿真了不同风速条件下海面的信号光子分布，通过与ICESat-2实测结果对比证明了仿真方法的正确性。基于仿真模型，分析了不同风速条件下，光子计数激光雷达的测距误差分布。结果表明，光子计数激光雷达测得的海面高程小于实际参考海面，且测量偏差和标准差随风速增加而增大，当风速为10m/s，累计脉冲次数为100次时，测量偏差约为-2.5cm，标准差为3.6cm。所建立的仿真模型和分析结果对优化针对海面观测的星载光子计数激光雷达的系统参数设计和平均海面观测结果修正具有重要的参考意义。

星载激光测高系统在应用于冠层高度反演时，由于光斑尺寸较大、地表环境复杂等因素，导致无法准确地从回波信号中提取地面位置。针对该问题，设计了一种分类地面波形，计算有效候选峰加权高程的地面返回位置提取和植被冠层高度反演方法。采用该方法对佛蒙特州西北地区的GLAS回波数据进行了处理，实现了地面高程提取和冠层高度反演，以同时期机载Lidar测量数据进行精度验证，并与高斯分解法的反演结果进行比较。结果表明该方法提取的地面返回位置与机载雷达采集的地面点云的分布非常接近，且地面提取精度优于高斯分解法；GLAS冠层高度反演结果RMSE为2.82 m，相关系数为0.81，与机载激光雷达测量结果具有较好的一致性，且优于高斯分解法的冠层高度反演结果。

星载光子计数激光测高系统具有较高的沿轨距离分辨率，能够探测得到植被冠层和地表的连续高程信息。然而星载植被点云的低点云密度和低信噪比，对植被相对冠层高度的估算方法提出了新的要求。本文提出了一种方向自适应的星载光子计数激光测高植被点云冠高估算方法。首先通过寻找点云高程统计直方图中代表冠层和地面位置的极值进行粗去噪，大致得到信号高程所在的范围，并估算出冠层，地面和噪声点云的平均密度以及地表坡度。随后对粗去噪后的点云进行方向自适应的密度聚类精去噪，其邻域的方向为地表坡度，与密度有关的阈值均根据估算出的点云密度自适应的做出调整。在滤波后，结合点云的密度和高程百分比分别找出地面与树冠顶端的初始点，并通过三角网方法（TIN）扩展初始点以进行分类，最终确定地表与树冠顶端的高程。采用ATLAS星载激光测高仪的植被点云对算法进行了验证，结果表明算法能够正确估算植被冠高，十分适用于坡度较大和叶面积指数较低的地区，其中冠顶与地面的高程和机载LIDAR数据高程的决定系数R²分别为0.99与0.77，均方根误差RMSE为0.28 m与2.6 m。