文献综述
研究意义
近几年随着激光测绘技术、计算机三维图像处理技术等学科的迅速发展，农林科技工作者们通过在计算机中重构林木在自然界中的状态，不仅可以实时模拟林木在各种情况下的生长状况，还可以模拟环境和林木的交互作用、计测林木的属性参数。
三维树木几何模型是数字城市与数字林业工程的重要组成部分。在数字化城市场景中，高精度、高保真的树木模型可以增强数字化城市场景的真实感与沉浸感，深化对数字城市的认知与理解。同时，三
维树木模型也是虚拟场景中极具代表性的自然景观模型，已被广泛应用于虚拟旅游、虚拟城市、虚拟生态景观等方面。基于点云的树木三维几何建模系统能够克服传统树木建模精度低、效率低、形态逼真度差等不足，依据点云数据能快速高效的重建出忠实于现实树木形态结构的三维真实感模型。同时，为了满足对模型的交互式编辑的需求，本系统还利用枝条自动分级技术实现模型数据的分级存储，使用户能够更加方便、灵活的对树木的三维模型进行调整和编辑，使得模型更加逼近树木的真实形态，结果可为精准农业、园林设计、古树名木保护等业务提供数字化支持。
二、 研究背景和发展脉络
20世纪80年代以来，随着虚拟现实技术、计算机图形学、地理信息系统等学科发展以及计算机性能的大幅提高，生态学家、农林业者和计算机研究人员开始重视通过构建植物(树木)的三维几何形态模型来模拟其生长过程、刻画各种特征变量、表达环境与树木的交互作用等[1]。
激光雷达技术的发展
激光雷达技术具有作业场景大、空间数据获取速度快、自动化程度高、精度高、数据量大、时效性好、通用性强等特点。
其中，地基激光雷达技术（terrestrial laser scanning，TLS）获取的点云精度已达毫米级，单株树木经单站扫描可获取数十万个点，利用该技术构建的树木模型较好地保留了树木的几何形态结构，且重建过程无需结合树木影像等异源数据[2]。机载激光雷达技术（air‐ borne laser scanning，ALS）借助航空飞机或无人机平台，可以快速高效地重建大范围森林或城市场景中的树木模型，已被广泛应用于树冠重建等方面。移动式激光扫描技术（mobile laser scanning，MLS）是近年来
新兴的一种空间信息获取手段，移动平台通常搭载由全球卫星导航系统和惯性导航系统组合而成的定位定姿系统，可以快速自动获取连续、无缝、高精度的树木三维空间信息、反射强度与定位定姿信息。除传统车载系统外，广义 MLS 还包含背负式激光雷达（wearable laser scanning,WLS与手持式激光雷达（hand-held laser scan‐ ning，HLS）等即时定位与地图构建（simultaneous localization and mapping，SLAM）系统。
- 树木建模方法的发展
树木作为自然界当中最普遍的景色之一，在早期人们通过L系统 AMAP等方法来生成计算机虚拟的植物模型该方法虽然能够产生逼真的树木模型但是并不能很好的满足人们对数字城市建模和精准林业测量的需要随着三维激光扫描技的迅速发展募于点云数据的真实树木建模技术得到了人们的极大关注由于现实环境中树木形状的特殊性和复杂性真实树木的三维模型重建成为了计算机图形学当中的一个热点和难点[4]。
由于自然界中树木的种类繁多、形态各异，如何准确地在计算机上进行活立木的枝干三维建模对于科研工作者来说是个很大的挑战。目前常见传统的林木建模方法有以下3种：规则法、草绘法和图像建模法。各有其优缺点和适用范围。其中，基于规则的方法最先得到发展是目前应用最为广泛的虚拟植物构建方法。此法需要一定的植物学专业知识，通过定义和调整几何参数来确定植物的三维形态。基于图像的建模方法首先从单幅或多幅不同视角的图像中自动提取立木形态特征，然后利用树木的形态信息结合图像处理工具或计算机视觉算法来构建立木的三维模型。为进一步简化模型参数，有学者基于草图建模方法，利用尽可能少的用户操作提高模型重建的效率，重建结构复杂的树木模型。例如，Okabe等利用手绘的树木模型草图，通过人机交互编辑操作，从二维树木结构草图中推导树的三维几何信息，重建树木的三维模型。
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