提取建筑物轮廓线是机载激光雷达(LiDAR)点云数据特征提取的热点。为了获得较高精度的建筑物轮廓线,提出了一种基于方向预测规则化算法的机载激光雷达建筑物正交轮廓线提取方法。首先利用α-shape算法提取轮廓点,然后利用改进的Douglas_Peucker算法提取关键点并提出角度检验规则筛选关键点,使用随机抽样一致性算法简化轮廓线,最终用提出的方向预测算法进行轮廓线规则化。通过Vaihingen城区数据对算法进行验证,结果表明:与流行的分类强制正交算法相比,方向预测规则化算法最大偏差平均减小了43.1%,均方根误差平均降低了39.7%,建筑物占地面积相对误差平均降低了7.02%,点云贡献率平均提高了9.32%,有效减小了机载激光雷达点云建筑物正交轮廓线规则化误差。

波形拟合是机载激光测深数据处理的关键环节, 能够为水下地形测量、海底底质分类和水体浑浊度分析等应用领域提供数据基础。针对传统机载激光测深波形拟合算法受噪声干扰严重、对复杂波形形状拟合不准确的问题, 提出一种基于分层异构模型的机载激光测深波形拟合算法。针对波形不同组成部分的相应特性, 采用异构函数(水面-高斯函数、水体-双指数函数及水底-B样条函数)构建分层异构模型, 分别进行拟合, 从而实现对各部分波形信号的拟合。采用南海实测数据对所提算法进行了验证, 结果表明: 该算法拟合波形的平均运行时间T为0.019 4 s, 相比于RL(Richardson-Lucy)去卷积算法提高0.328 6 s; 平均均方根误差(Root Mean Square Error, RMSE)为6.222 4, 相比于双高斯函数拟合算法平均均方根误差RMSE、平均决定系数(Coefficient of determination, R2)、平均相关系数(Correlation Coefficient, CORR)和相关系数标准差(Standard Deviation, STD)分别提高65.11%、2.83%、1.01%和86.61%, 保证了拟合效率和拟合精度。算法具有良好的鲁棒性, 能够有效满足机载激光测深科学研究和工程应用的技术需求。

星载激光测高系统亚毫弧量级的发散角和冰层表面几乎没有穿透效应的优势使其非常适于监测南北极冰盖变化。利用GLAS激光测高卫星的高程数据，通过交叉和重复点方法分析2003~2009年3月格陵兰2 000 m以上区域冰盖高程变化，并改进了交叉点计算方法，使其适合纬度跨度较大的格陵兰地区。经过粗差剔除和时序解算，研究结果表明，该区域7年间冰盖高程年均变化+3.80 cm/年，中误差0.91 cm，呈缓慢增长趋势；交叉点和重复点方法所得结果趋势一致，重复点数量为交叉点数量的4~15倍，但位置分布不均匀，使用星载激光测高数据分析极地冰盖变化时，较大区域适合使用交叉点方法，较小区域适合使用重复点方法。

星载激光测高仪通过接收经地表反射的微弱激光脉冲回波，计算卫星与地表的距离；结合卫星位置和姿态数据，生成激光脚点精确地理位置和高程结果。对于高程精度10 cm量级的对地观测激光测高仪，必须对影响严重的姿态角系统误差进行标定和校正。文中推导得出星载激光测高仪姿态角误差与已知地表先验信息相关联的数学模型，设计了利用大洋表面作为地表标定场，通过卫星姿态机动方式，最小二乘估计算法校正卫星在轨系统误差的具体方法。仿真结果表明，所设计的方法能够准确估计存在的姿态系统误差，即使大规模观测值丢失，估计偏差也小于5%。这种在轨运行系统误差的标定方法对于对地观测星载激光测高仪的姿态误差检校具有参考意义。

星载激光测高系统通过接收卫星平台激光器发出的激光脉冲经地表反射的微弱回波，计算卫星与地表的距离；结合卫星轨道和姿态数据，生成激光脚点精确地理位置和高程结果。其高程误差主要受器件、环境和目标参数影响，目前还没有完整描述对地观测星载激光测高系统平面和高程误差的数学模型。简化并完善了针对固体地表的激光测距误差模型，建立了完整的激光脚点平面和高程误差模型。利用高程精度和空间分辨率更高的机载Lidar数据评估了星载激光测高系统GLAS实测数据的高程偏差，评估结果符合所建误差模型。在较平坦的冰盖表面，GLAS系统高程精度可以达到设计值约15 cm。研究内容对测高系统高程误差评估和系统参数设计具有参考意义。

星载激光测高仪通过提取激光回波参数计算卫星与地表的距离，结合轨道和姿态信息生成激光脚点的三维坐标。普通高斯光束的空间能量分布随光斑半径增加迅速衰减，不利于探测复杂和分层的地表目标，而平顶高斯光束可以克服这一缺点。根据平顶高斯光束和激光测高回波的相关理论推导得出平顶高斯激光模式下回波波形主要参数的解析式，并使用波形模拟器、波形处理算法，以及地球科学激光测高系统(GLAS)真实回波对所得理论模型进行了验证，结果显示不同阶数激光脉冲的对比偏差都小于3%，且随着目标斜率或阶数的增加，回波宽度和距离误差也随之增加，4阶平顶高斯光束目标斜率0.05时对应的距离误差超过10 cm。