01 研究背景与目标

新一代星载全波形激光雷达GEDI于2018年成功发射，对地球三维结构进行高分辨率激光观测。研究星载激光波形模拟，对于设计传感器系统和观测方案、森林参数反演算法研发都具有重要意义。当前GEDI波形的模拟方法主要包含两类：以GEDI Simulator为代表的半经验模型和以DART为代表的三维辐射传输模型。以往研究缺乏对两种方法进行GEDI波形模拟的精度分析和适用性评价，因此本研究旨在定量评估GEDI Simulator和DART进行森林区域GEDI波形模拟的精度，并且分析是否考虑多次散射以及森林植被茂密程度对于波形模拟误差的影响。

02 研究亮点总结

• 首次全面评估DART-RC/Lux和GEDI Simulator在森林区域GEDI波形模拟的精度和适用性
• 构建虚拟森林环境可以排除评估过程中光斑地理误差和森林三维建模不确定性的影响
• 仅考虑单次散射的DART-RC/Lux的波形模拟结果和GEDI Simulator模拟结果高度一致
• 考虑多次散射时，DART-RC/Lux和GEDI Simulator模拟结果的差异随着森林茂密程度而增加。
• 稀疏森林中，DART-RC/Lux 的波形模拟精度优于GEDI simulator；茂密森林中，森林三维建模的误差导致DART-RC/Lux的波形模拟精度低于GEDI simulator

03 研究亮点总结

考虑到GEDI光斑受到地理定位误差的影响，本文结合虚拟森林环境与真实森林环境，分别评价GEDI Simulator、DART-RC、DART-Lux进行GEDI波形模拟的精度。分别在不同环境进行对比实验，整体研究技术流程如图1所示：

图1. 技术路线图

构建虚拟森林环境可以排除GEDI光斑地理定位误差以及森林三维建模的不确定性对波形模拟结果的影响。本文构建Turbid medium场景、并选择RAMI虚拟森林场景（见下图2）。实验中，首先模拟机载激光扫描，之后将模拟的机载点云数据输入至GEDI simulator中得到波形模拟结果；之后直接以矢量化的森林三维模型作为输入至DART-RC和DART-Lux，分别设置仅考虑单次散射，以及考虑单次和多次散射，得到DART的波形模拟结果。

图2. 本文采用的Turbid medium和RAMI虚拟森林环境

本文选择位于美国新墨西哥州的Manzano山脉的真实森林场景，以GLiHT实测的机载激光点云作为输入至GEDI simulator中得到波形模拟结果；之后采用Yin et al. 2022的方法，从GLiHT机载点云构建体素化的森林三维模型，作为输入至DART-RC和DART-Lux，分别设置仅考虑单次散射，以及考虑单次和多次散射，得到波形模拟结果。以研究区内的GEDI实测波形数据作为参考值进行精度评估。

图3. 美国新墨西哥州Manzano Mountains森林实验区及GEDI光斑分布

04 实验结果

在虚拟森林环境中，仅考虑单次散射的DART模拟结果，与GEDI Simulator的模拟结果高度一致。由于GEDI simulator不考虑多次散射，实验结果符合研究预期。

图4 虚拟森林场景中DART-RC、DART-Lux与GEDI simulator对比的一致性

观察图5结果可以发现，当植被生长相对茂盛时（LAI均为3.44），相对于RAMI森林场景，在turbid medium这种混沌场景中，考虑了多次散射的DART-RC/Lux和GEDI simulator的波形模拟结果差异更加显著。这主要是由于turbid medium混沌场景中叶片的聚集程度相对RAMI森林场景更弱，发生多次散射的概率更高，因此考虑多次散射后，DART和GEDI Simulator的结果差异更大。

图5 Turbid medium和RAMI森林场景中GEDI波形模拟结果的对比示例

在真实森林环境中，以实测GEDI波形为参考值，DART-RC和DART-Lux的结果略优于GEDI Simulator。

图6. 真实森林环境中DART-RC、DART-Lux、GEDI simulator的波形模拟精度（以实测GEDI波形为参考）

         但是，随着森林植被越来越茂密，DART-RC和DART-Lux的波形模拟精度有所下降，但是GEDI simulator的模拟精度相对稳定（如图7）。这主要由于DART-RC/Lux的模拟结果受到森林三维建模精度的影响，而本文所采用的体素化森林三维建模方法，在植被茂密时可能误差更大，未来应探索更加准确的茂密森林三维建模方法。

图7. 植被茂密程度对DART-RC/Lux及GEDI simulator波形模拟精度的影响

05 研究结论

•在不考虑地理定位误差与三维建模不确定性的虚拟森林环境中，仅考虑单次散射的DART-RC/Lux与GEDI simulator所模拟的GEDI波形具有高度一致性

•考虑多次散射时，DART-RC/Lux和GEDI Simulator模拟结果的差异随着森林茂密程度而增加。

•稀疏森林中，DART-RC/Lux 的波形模拟精度优于GEDI simulator；茂密森林中，森林三维建模的误差导致DART-RC/Lux的波形模拟精度低于GEDI simulator。

06 作者介绍

第一作者：王子阳，南京师范大学与图卢兹第三大学联合培养博士，主要从事三维点云数据处理、星载激光雷达森林参数反演研究。曾获第七届全国激光雷达大会数据处理大赛特等奖、南京师范大学博士生国家奖学金、2023年江苏省优秀专业学位硕士毕业论文。

通讯作者：刘婧，南京师范大学地理科学学院副教授，江苏省双创博士。担任国际数字地球学会激光雷达专业委员会委员，Plant Phenomics期刊青年编委。主要从事激光雷达森林遥感方面的研究，近五年主持国家自然科学基金2项、江苏省自然科学基金2项，获江苏省青年遥感与地理信息科技奖，指导学生获第七届全国激光雷达大会数据处理大赛特等奖、第九届全国大学生GIS应用技能大赛特等奖。

合作作者：南京师范大学盛业华教授、中国科学院空天信息创新研究院杨学博助理研究员。