基于實景三維建模的落筆洞古人類遺址數(shù)字化保存＊

楊博雄 李社蕾 周波 汪舜敏 李海軍 張開存

1.三亞學(xué)院信息與智能工程學(xué)院；2.三亞學(xué)院陳國良院士團(tuán)隊創(chuàng)新中心

三亞落筆洞是中國海南地區(qū)迄今發(fā)現(xiàn)的最早的古人類文明遺址，具有極高的歷史文化價值。本文通過采用無人機(jī)搭載五相機(jī)傾斜攝影測量儀進(jìn)行落筆洞區(qū)域的空間影像數(shù)據(jù)采集，再通過專業(yè)的建模軟件-重建大師進(jìn)行空三計算與三維建模，構(gòu)建了我國落筆洞區(qū)域的高精度實景三維模型。同時，利用手持激光與視覺掃描儀對洞內(nèi)進(jìn)行三維激光掃描與立體視覺成像，實現(xiàn)對落筆洞古文化遺址的數(shù)字化保存與計算機(jī)三維重現(xiàn)。研究成果可為落筆洞的保護(hù)與修繕、虛擬景區(qū)漫游、海南古人類生活場景復(fù)現(xiàn)、摩崖石刻書法藝術(shù)立體賞析等應(yīng)用提供幫助。

中國落筆洞古人類遺址位于海南省三亞市東北的落筆峰（東經(jīng)109.540718°，北緯18.327827°），如圖1所示，處于三亞學(xué)院內(nèi)，距今已有1萬多年歷史，是海南島已發(fā)現(xiàn)的時代最早的舊石器時代遺址，也是迄今為止中國舊石器文化分布最南的一處遺址[1]。

圖1 落筆洞遙感影像圖Fig.1 Remote sensing image of Luobi Cave

1992年3月，中國考古人員在落筆洞內(nèi)首次發(fā)現(xiàn)了古人類牙齒化石，落筆洞成為迄今為止海南發(fā)現(xiàn)的最早的人類聚居場所[2]。落筆洞系燕山運動的產(chǎn)物，主要是由于受到地殼深部的物質(zhì)上涌發(fā)生擠壓，從而向上隆起產(chǎn)生張力并形成斷裂，導(dǎo)致這里的石灰?guī)r一部分上升，一部分下降。落筆洞為天然石灰?guī)r溶洞，因洞中央有兩根鐘乳垂吊，形如巨筆懸空而得名[3]，如圖2所示。

圖2 落筆洞古人類遺址Fig.2 Ancient human site of Luobi Cave

落筆洞的摩崖石刻甚多，洞中石壁上刻有歷代名人詩詞共有七處之多。最早題刻是宋代游寓詩人倭倭才的石刻，距今已有1000多年歷史[4]，如圖3所示。因此，落筆洞遺址不僅具有極高的地質(zhì)地理與生態(tài)研究價值，而且還具有很高的歷史文化考古價值。

圖3 落筆洞摩崖石刻Fig.3 Rock carvings on the cliff of Luobi Cave

1 遺址現(xiàn)狀

落筆洞古人類遺址從發(fā)現(xiàn)后很長一段時間處于無保護(hù)狀態(tài)。落筆洞遺址東北面屬于遺址保護(hù)范圍約1萬平方米的緩坡地帶被開發(fā)成了香蕉園。在落筆洞的洞口內(nèi)，很多人隨意在洞壁上刻畫，對古人留下來的摩崖石刻形成直接的威脅。落筆洞腳下的古河床也變成了垃圾場。由于風(fēng)吹日曬和暴雨侵蝕，落筆洞裸露巖石不僅損壞嚴(yán)重，而且還有脫落危險[5]。

2010年6月，落筆洞遺址被國務(wù)院公布為全國重點文物保護(hù)單位，改變了落筆洞一直處于無保護(hù)的狀態(tài)，自此落筆洞遺址有了明確的保護(hù)開發(fā)主題，并實施封閉式管理，得到全面的保護(hù)和修繕。

盡管來自人為破壞的風(fēng)險大大降低，但是由于三亞雨季旱季時間跨度大以及臺風(fēng)暴雨頻繁等自然條件的影響，落筆洞及所在的落筆峰近年來也開始顯現(xiàn)坍塌滑坡風(fēng)險，需要人工主動防護(hù)。落筆洞除了已經(jīng)探明兩處具有敞開出口的較大洞穴外，還有不少小的隱藏的熔巖洞，這些溶洞因為地處高處，導(dǎo)致修繕工作困難重重而處于危險境地。

對于落筆洞這樣一處極具考古以及歷史文化價值的遺址，有必要利用計算機(jī)技術(shù)以及攝影測量技術(shù)建立遺址場景的三維數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)落筆洞遺址的數(shù)字化保存與呈現(xiàn)，這樣不僅有利于修繕維護(hù)工作，而且還有利于旅游資源的開發(fā)以及歷史文化的傳承[6，7]。

2 測量方案

傾斜攝影測量技術(shù)是國際測繪領(lǐng)域近年來發(fā)展起來的一項高新技術(shù)[8]，該技術(shù)通過從1個垂直和4個傾斜角度同步采集地面影像，不僅能夠真實地反映地物情況，高精度地獲取物方紋理信息，還可通過先進(jìn)的定位、融合、建模等技術(shù)，生成帶有位置、高度、真實紋理等屬性的實景三維模型[9，10]。

本文采用大疆（DJI）無人機(jī)搭載5個SONY ILCE-6000相機(jī)，圍繞落筆峰區(qū)域進(jìn)行空間影像數(shù)據(jù)采集，該相機(jī)總共2430萬像素，最高分辨率可達(dá)6000×4000。低空數(shù)字航空攝影規(guī)范規(guī)定航向重疊度一般應(yīng)為70%左右，旁向重疊度一般應(yīng)為60%左右[11]。為滿足1:500航測精度和5cm的模型精度，在無高程建筑、地形地物高差比較小的落筆峰測區(qū)對無人機(jī)傾斜攝影測量的重疊度有更高的要求，航向重疊度達(dá)到80%以上，旁向重疊度達(dá)到70%以上[12]。

整個測量方案按作業(yè)工程分外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩個階段，按作業(yè)內(nèi)容可以分?jǐn)?shù)據(jù)采集、空三處理、三維建模3個部分，其中空三處理包括影像預(yù)處理、影像特征提取與匹配、空三加密以及稀疏點云生成等；三維建模包括多視影像密集匹配、不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）構(gòu)建、紋理映射及模型修復(fù)等內(nèi)容，如圖4所示。整個業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)處理利用大勢重建大師（GET 3D）建模軟件來完成三維建模，并對模型進(jìn)行優(yōu)化。

圖4 落筆洞實景三維建模測量方案Fig.4 Real 3D modeling and measurement scheme of Luobi Cave

3 空三計算

空三計算是實景三維建模最重要的一個環(huán)節(jié)[13]。由于空三計算需要耗費大量算力，本文選用兩臺主頻為3.7GHz的Intel Xeon E3-1240v6 CPU的刀片式服務(wù)器，每臺服務(wù)器配置8塊英偉達(dá) RTX 3080 12GB GPU計算設(shè)備，將重建大師（GET3D Cluster）部署在兩個服務(wù)節(jié)點上。由于重建大師（GET3D Cluster）具有集群計算能力，可以充分發(fā)揮16塊GPU的計算能力，比單機(jī)單GPU的處理方式要快15倍以上。

本次空三計算一共耗時9小時36分鐘，一共處理相片總數(shù)8，515，每個相機(jī)拍攝1，703張相片。一共產(chǎn)生連接點551，195，生成特征點2，966，730，單張相片連接點平均數(shù)達(dá)65個，特征點平均數(shù)達(dá)到352個，平均地面分辨率為0.0237762。

根據(jù)重建大師GET3D生成的空三報告，其中相機(jī)位置重投影誤差如圖5所示，最小重投影誤差為0.239像素，最大重投影誤差為1.598像素，平均重投影誤差為0.734像素。

圖5 相機(jī)位置重投影誤差Fig.5 Reprojection error of camera position

連接點重投影誤差如圖6所示，最小重投影誤差為0.000像素，最大重投影誤差為2.975像素，平均重投影誤差為0.548像素。

圖6 連接點重投影誤差Fig.6 Reprojection error of connection points

4 三維建模

三維建模包括影像密集匹配、紋理映射和模型優(yōu)化等主要內(nèi)容。經(jīng)過空三計算得到各個影像的外方位元素后，選取最優(yōu)的影像匹配單元進(jìn)行逐像素匹配和特征匹配形成高密度真彩色點云，再通過TIN三角網(wǎng)構(gòu)建和紋理映射將紋理空間中紋理像素映射到屏幕空間像素。紋理映射完成后經(jīng)過多層次，多結(jié)構(gòu)計算即可建成三維模型。由于水體、植被等特征點難以匹配，會導(dǎo)致模型出現(xiàn)空洞。本文采用進(jìn)行大勢模方（ModelFun）軟件通過人工方式碎片、破洞等進(jìn)行修復(fù)，最終形成的落筆峰實景三維模型如圖7所示。

圖7 落筆峰實景三維模型Fig.7 Real 3D model of Luobi Peak

從落筆峰實景三維模型的峰頂可以看出，通過五相機(jī)傾斜攝影測量建立的實景三維模型經(jīng)過后期修復(fù)后，已經(jīng)沒有破洞等的出現(xiàn)。在建立的實景三維模型上，不僅可以觀察落筆峰的植被、巖土等可視信息，還可以計算出落筆峰山體體積、裸露巖石表面面積等量測信息，如圖8所示。

圖8 可量測實景三維模型Fig.8 Measurable 3D model

5 洞內(nèi)建模

對于洞體內(nèi)信息的三維建模則不能用無人機(jī)傾斜攝影測量來采集數(shù)據(jù)，一般采用基于SLAM（即時定位與地圖構(gòu)建）方法的手持式3D激光和視覺掃描儀進(jìn)行空間掃描成像[14-16]。

本文采用SLAM100手持移動式激光雷達(dá)掃描儀來對整個洞體進(jìn)行精細(xì)化掃描與三維成像。SLAM100具有360°旋轉(zhuǎn)云臺，結(jié)合行業(yè)級SLAM算法，可在無光照、無GPS條件下獲取周圍環(huán)境高精確度和高精細(xì)度的三維點云數(shù)據(jù)，同時還配有三顆500萬像素攝像頭，形成寬200°、高100°超寬視場角，可在光照條件下同時獲取紋理信息，生產(chǎn)彩色點云或局部全景圖。

本文以落筆洞入口為起點，手持SLAM100進(jìn)行環(huán)繞連續(xù)拍攝，經(jīng)過模型計算落筆洞最深處18m，最寬處8m，洞高最高處達(dá)到20m，洞內(nèi)面積約180m2，獲取的激光和視覺三維模型如圖9所示。

圖9 落筆洞三維模型Fig.9 Three-dimensional model of the Luobi Cave

落筆洞摩崖石刻經(jīng)過三維采集和影像增強(qiáng)后粘附于三維崖面，形成可以立體觀看的摩崖石刻文字，如圖10所示。

圖10 落筆洞摩崖石刻三維實景圖Fig.10 3D real scene of rock carving on the cliff of Luobi Cave

6 結(jié)論與討論

盡管落筆洞遺址已經(jīng)被國務(wù)院公布為全國重點文物保護(hù)單位，但是由于風(fēng)吹日曬的侵蝕以及干旱暴雨等的破壞，落筆洞依舊受到損毀的威脅。實景三維建模技術(shù)可以有效地應(yīng)用于落筆洞文化遺址的保護(hù)研究和虛擬呈現(xiàn)，并且對文物本體及附屬環(huán)境不產(chǎn)生任何破壞，尤其是對具有古人類生活自然遺產(chǎn)的落筆洞來說，其真實性和完整性也可以得到有效保護(hù)。

基于攝影測量建立的實景三維模型可以對裸露巖面的裸露面積、節(jié)理裂縫等進(jìn)行定量統(tǒng)計與分析，為當(dāng)前落筆洞的安全防護(hù)與修繕提供了風(fēng)險性判斷依據(jù)和維護(hù)數(shù)據(jù)，如圖11所示。

圖11 基于落筆洞實景三維模型的修繕與保護(hù)Fig.11 Repair and protection based on the three-dimensional model of Luobi Cave

本文采用無人機(jī)五相機(jī)傾斜攝影測量進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，再通過內(nèi)業(yè)空三計算與三維建模構(gòu)建了落筆峰實景三維模型。同時采用手持3D激光視覺掃描儀對洞內(nèi)進(jìn)行三維成像，從而完成一項我國重要的古文化遺址-落筆洞的數(shù)字化保存與重現(xiàn)。研究成果還可為美術(shù)臨摹、虛擬景區(qū)漫游、海南古人類生活場景復(fù)現(xiàn)等應(yīng)用提供幫助[17，18]。

此外，在利用激光和視覺攝影測量技術(shù)對落筆洞遺址的山體山洞進(jìn)行全方位數(shù)字掃描與三維成像過程中，還發(fā)現(xiàn)落筆洞不僅只有落筆洞和仙郎洞兩處已發(fā)現(xiàn)的較大溶洞，整個落筆峰里面還有很多未知的小型溶洞和孔隙溶洞值得探究。未來，可以利用高光譜遙感和巖土力學(xué)分析方法，并與周邊其他山體進(jìn)行比較，進(jìn)而挖掘出更多有價值的地理和考古信息。

本論文感謝海南華誠測繪科技有限公司、深圳飛馬機(jī)器人科技有限公司提供數(shù)據(jù)支持。

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