森林作为陆地生态系统的重要组成部分,其在气候调节、维持生态平衡以及在全球环境变化中起着十分重要的作用。单株树木作为森林的重要组成部分,其三维几何模型可广泛应用于林学、植物学、遥感、生态学及虚拟现实等领域。鉴于树木几何结构的高度复杂性及差异性,传统树木几何模型建模方法在树木几何结构信息获取及建模方面均存在明显的不足及局限性,从而导致其树木几何模型与实际树木几何结构及形态存在较大的差异。与传统树木几何模型建模方法相比,地面激光雷达采用非接触式方式获取树木冠层几何结构海量点云数据,因而其可一定程度上克服目前传统树木几何模型建模方法建模结果逼真度不高、与实地树木差异大的局限性,从而为实现树木高逼真度三维几何建模成为可能。本文以收集到的单株树木点云数据为基础,运用水平集、聚类和图论方法提取单株树木骨架点,并在此基础上实现树木枝干几何建模;对于树叶结构构建,以测量得到的单株树木叶面积进行约束重建,并对重建模型进行分析及讨论。主要研究内容和成果如下:(1)数据收集及预处理。设计一套合理的观测方案开展茂盛期和落叶期单株树木冠层点云数据模拟及地面收集。以典型单株树木三维几何模型为研究对象,结合观测方案和 ILMSVP(In-situ LAI Measurement Simulationg And Validation Platform)软件开展点云数据模拟。实地选取典型单株树木作为观测目标,基于点云数据观测方案和Rigel-VZ400扫描仪开展茂盛期和落叶期单株树木点云数据收集。收集单株树木树高、胸径、枝干半径等几何结构参数,选择典型树叶测量树叶几何结构参数及树叶点云数据收集。针对实地收集的点云数据开展配准、去噪等预处理,最后计算单株树木点云数据主方向,计算点云轴向分布密度实现分类。(2)落叶期单株树木枝干几何建模。基于预处理后的单株树木点云数据构建邻域图,采用Dijkstra算法求解测地图最大路径长度,将单株树木点云在测地图路径方向进行分层,并计算各分层点云数据的算术平均值作为骨架点。当同一层存在分支时,采用欧式聚类方法确定分支个数并计算各分支骨架点。论文针对孤立点云集,即与单株树木冠层枝干点云集不衔接的点云集单独处理,其树木枝干骨架点提取方法与单株树木冠层骨架点提取方法一致。利用最小生成树构建骨架点拓扑结构,并基于最小二乘算法估算骨架点处枝条半径。针对部分骨架点部位点云质量较低,从而难以精确估算枝条半径的部位(如末级枝条、枝条分叉及转折部位等),本文采用管道模型估算枝条半径。单株树木主干及枝条采用广义圆柱体方式作为标准几何体构建其单株树木几何模型。研究表明,角分辨率为0.04°的单株树木点云数据能满足单株树木几何建模的精度要求,不同分层间隔只影响模型的细节,且四种观测方案对模型效果及几何参数的影响较小,重建的落叶期单株树木几何模型精度较高。(3)茂盛期单株树木冠层几何建模。茂盛期单株树木枝干几何建模与落叶期单株树木枝干几何建模法相同。对于茂盛期单株树木冠层树叶几何建模,其建模以分类后的树叶点云为基础,采用间隙率模型测量单株树木冠层叶面积,并以各体元叶面积测量结果作为单株树木冠层树叶几何建模的约束条件,最终实现茂盛期单株树木冠层树叶几何建模。研究表明,本文采用的点云分类方法能较好地实现单株树树木点云分类;以1°天顶角剖分间隔测量得到的单株树木冠层叶面积测量结果精度最高;不同观测方案对单株树木冠层叶面积测量结果影响较小;以最大树叶长度作为体元剖分大小得到的模型效果较好,精度较高;且本文采用的单株树木冠层叶面积指数得到的模型精度较高。通过以上分析讨论得出,本文采用的顾及单株树木叶面积指数分布特征的单株树木几何建模方法重建的模型精度较高,从而验证了建模方法的可行性。