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树木结构的建模不仅增强了三维场景的真实感,更重要的是提供了科学管理森林植被的有效方法。传统树木建模方法缺少描述树木枝干几何结构的详细信息,而激光雷达（Light Detection and Ranging,Li DAR）点云包含了各点间的相对位置、局部拓扑结构和整体几何形状等空间信息,为重建精确的树木结构提供了详细信息。目前树木建模研究缺乏关注重建树木结构的精细程度和几何精度,算法通用性差,容易产生大量的畸形结构,无法准确提取树木因子。而树木定量结构模型（Quantitative Structure Model,QSM）是基于地基激光雷达（Terrestrial Laser Scanner,TLS）点云的单木结构精细建模方法,是以层次结构顺序描述完整的地上树木木质部位的单木几何模型。QSM的研究具有重要的理论与应用价值。本文提供了一个的新的、准确（Accurate）和详细（Detailed）的QSM—Ad QSM,它非常适用于重建树木的TLS点云,同时对无人机机载激光雷达（UAV-based Laser Scanner,UAVLS）点云和移动激光雷达（Mobile Laser Scanner,MLS）点云也具有一定的通用性。主要研究内容及研究结果如下:（1）提出了通用的单木枝干精细几何结构自动重建方法为了从不同类型（TLS、ALS和MLS）的点云中准确拟合树木枝干几何结构和拓扑关系,本文基于图论方法,并结合先验假设建模和轻量化表达的优势重建了单木几何结构和拓扑,提出了通用性强、精度高的单木枝干精细几何结构重建方法。○1首先基于三维Delaunay完成对输入点云的三角剖分,基于Dijkstra算法计算了有向加权图的最短路径。然后以最小生成树（MST）算法框架提取树木初始骨架,设计多余顶点和边的合并算法,完成对初始骨架的简化和优化。最后基于树木骨架完成了单木枝干结构圆柱体拟合及其优化算法,重建了精细的单木枝干几何结构。○2基于TLS,MLS和UAV-ALS采集的、不同地域（热带、亚热带和温带）的、不同大小形状结构的多种树木点云,研究了单木几何结构重建精度评价方法,验证了Ad QSM重建单木几何结构的精度,点云到几何结构表面的平均距离（Average distance,AD）和标准差（Standard Deviation,SD）分别小于3cm和8cm。○3研究了多维度下Ad QSM重建的单木几何结构与主流方法的对比,重建的树枝等级可以多出1～3级,Ad QSM的建模效率是Tree QSM的2.5～3倍,是Simple Tree的3～8.3倍。（2）构建了基于单木枝干精细几何结构的树木因子定量模型常规树木建模方法重建的枝干结构不够精确导致其无法定量提取树木因子。本文在重建单木枝干精细几何结构基础上,结合测树学理论构建树木因子自动测量模型。Ad QSM最大的优势是可以自动提取树枝和树干体积等传统测树方法难以直接测量的树木因子。○1在单木枝干精细几何结构重建的基础上设计了一系列的树木因子定量计算方法。除了可以自动提取胸径（Diameter at Breast Height,DBH）和树高等基本测树因子,还可以自动提取全树体积、树枝体积（长度、数量、等级和夹角）、树干体积（长度和直径）等。○2基于TLS点云重建了来自不同地域的71棵热带大型树木,并将砍伐树木后的测量数据作为参考值,验证了Ad QSM提取全树体积、树枝体积、胸径和树高的精度。将Ad QSM提取的胸径和树高分别与参考值进行对比,线性拟合的R~2分别为0.98和0.93,r RMSE分别16.86%和10.35%。Ad QSM提取的全树体积和树枝体积分别与参考值对比,线性拟合的R~2分别是0.98和0.96,r RMSE为24.63%和38.32%。研究将Ad QSM提取的树木体积结合木材基本密度估算单木地上生物量（AGB）的方法,将树木烘干称重的AGB作为参考值,范围是0.02629Mg到43.94535Mg,AGB估计值与参考值之间的一致性相关系数（CCC）为0.98,r RMSE为26.26%。○3研究了多因子多维度下主流方法对比,Ad QSM提取树高、全树体积、树枝体积和AGB的r RMSE比主流方法高出1%～4%的精度。（3）研究了基于Ad QSM在林业中的新方法1提出了一种无需砍伐树木的生物量方程研建新方法。传统的生物量方程研建方法需要砍伐树木,耗时费力且具有破坏性。政策或者经济成本等原因导致无法砍伐树木时,基于Ad QSM结合TLS点云可以研建新的生物量方程。该方法具备不需要砍伐树木的非破坏性优势,节约较大的人力物力成本。为15种不同种类的树木研建了生物量方程,结果表明非破坏性的TLS-Ad QSM方法和传统的破坏性方法研建的生物量方程系数差别较小,斜率分别是1.12和1.05,截距分别为-4.83和-4.65,R~2分别是0.95和0.98。2实现了QSM研究从单木水平建模到样地水平建模的跨越。本文首次提出“样地定量结构模型”这一概念,即在样地水平的点云下结合单木分割实现的定量结构模型。研究了基于Ad QSM的大规模树木自动建模方法,在实现单木分割后重建了半径为20m的圆形国槐样地的真实三维空间几何结构。自动批量提取了181棵国槐的树木体积,结合木材密度估算整块样地的AGB是15889.3kg。将样地调查数据作为参考值,AGB被高估了17.12%。在95%置信区间水平上,基于“样地定量结构模型”的AGB估计值与参考值的CCC是0.87,LLCI和UICI分别是0.83和0.90。3提出了基于Ad QSM结合地面摄影测量点云的低成本建模新方法。基于森林地面摄影测量技术采集了半径为30m的圆形样地的摄影测量点云,Ad QSM重建了44棵旱柳的几何结构并提取了树干体积、胸径和树高等森林参数。将样地调查数据作为参考值,Ad QSM提取的胸径与参考值对比,线性拟合的R~2和CV（RMSE）分别为0.94和6.60%。Ad QSM提取的树高与参考值对比,线性拟合的R~2和CV（RMSE）为0.95和12.34%。Ad QSM提取的树干体积和参考值对比,线性拟合的R~2是0.74,RMSE为0.12369m~3,CV（RMSE）为32.78%。凭借地面摄影测量点云获取成本相对较低的优势,不仅扩大了Ad QSM的适用范围,同时为森林地面调查提供了一种低成本的树木结构建模技术方案。综上所述,本文提供了基于激光雷达点云的树木结构建模新模型（Ad QSM）与新方法。