建筑物三维模型是数字城市的重要内容,其自动化建模一直是测绘遥感领域研究的热点。传统的基于摄影测量的建筑物三维重建由于影像空间纹理和几何信息丰富,场景自动化解译困难,一直未出现比较成熟和通用的建筑物自动化重建方法。机载航空LiDAR技术的出现为建筑三维模型的获取提供了新的手段。然而,现有的基于建筑物LiDAR点云的三维重建方法多采用的是基于局部面片拓扑分析的非全局重建方式,当数据局部缺失或受噪声影响时,三维模型重建困难。针对该问题,本文提出了一种基于图割全局优化的建筑物面片分割和拓扑重建方法。其主要内容如下：1)基于图割多标号优化的建筑物LiDAR点云面片分割方法。提出了一种基于图割多平面模型拟合的建筑物LiDAR点云面片分割方法。在建筑物点云区域增长得到的初始模型的基础上,构造了一个考虑点到拟合平面的距离,邻域点的空间平滑性和面片个数的全局能量函数来优化初始分割。作为一种全局的分割方式,该方法能同时分割出所有的建筑物面片。广东阳江和武汉大学区域的建筑物点云分割结果表明,全局优化后建筑物面片分割的完整性,准确性,边界准确率和召回率分别由77.0%提高到92.9%,92.6%提高到97.7%,68.1%提高到95.7%,和54.2%提高到89.7%。参考交叉重叠率则由17.7%降到0%。最终,该方法成功地消除了建筑物面片过渡和相交区域的错分割。即使是复杂的建筑物,该方式也能够得到拓扑较为一致的分割结果。2)基于建筑物分割面片和复形(cell complex)结构的三维空间划分方法。图割是一种离散化的能量优化方法,最小化能量函数时需要建立优化对象的实体图结构。在建筑物点云分割面片的基础上,本文提出了一种基于空间二分(Binary space partitioning,简称BSP)和三维复形的建筑物空间划分方法。即利用建筑物面片将建筑物空间细分为一系列具有几何要素和空间拓扑的三维实体(多面体)。与其它基于空间栅格化的实体图构造方式不同的是,该方法在空间划分时能够直接获得划分实体的几何要素和空间拓扑。3)基于图割二值标号的建筑物LiDAR点云三维重建方法。在建筑物LiDAR点云与空间划分实体图的基础上,提出了一种基于图割全局优化的建筑物拓扑重建方式。即利用建筑物点云的可视性分析构造图割全局优化的能量函数,将建筑物空间划分的三维实体标号为建筑物外部和内部,则空间实体标号边界对应的三维实体表面和拓扑关系即是要重建的建筑物的三维模型。广东阳江和武汉大学区域的建筑物重建结果表明,该方式重建的建筑物面片的完整度达83.7%。同TerraSolid的重建结果相比,该方式能够输出拓扑质量较高的三维模型。此外,即使在局部数据缺失的情况下,该方式也能够较好地重建出建筑物的三维模型。