基于實景三維建模的落筆洞古人類遺址數字化保存＊

楊博雄 李社蕾 周波 汪舜敏 李海軍 張開存

1.三亞學院信息與智能工程學院；2.三亞學院陳國良院士團隊創新中心

三亞落筆洞是中國海南地區迄今發現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搭載五相機傾斜攝影測量儀進行落筆洞區域的空間影像數據采集，再通過專業的建模軟件-重建大師進行空三計算與三維建模，構建了我國落筆洞區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進行三維激光掃描與立體視覺成像，實現對落筆洞古文化遺址的數字化保存與計算機三維重現。研究成果可為落筆洞的保護與修繕、虛擬景區漫游、海南古人類生活場景復現、摩崖石刻書法藝術立體賞析等應用提供幫助。

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109.540718°，北緯18.327827°），如圖1所示，處于三亞學院內，距今已有1萬多年歷史，是海南島已發現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首次發現了古人類牙齒化石，落筆洞成為迄今為止海南發現的最早的人類聚居場所[2]。落筆洞系燕山運動的產物，主要是由于受到地殼深部的物質上涌發生擠壓，從而向上隆起產生張力并形成斷裂，導致這里的石灰巖一部分上升，一部分下降。落筆洞為天然石灰巖溶洞，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地理與生態研究價值，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 遺址現狀

落筆洞古人類遺址從發現后很長一段時間處于無保護狀態。落筆洞遺址東北面屬于遺址保護范圍約1萬平方米的緩坡地帶被開發成了香蕉園。在落筆洞的洞口內，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。由于風吹日曬和暴雨侵蝕，落筆洞裸露巖石不僅損壞嚴重，而且還有脫落危險[5]。

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

盡管來自人為破壞的風險大大降低，但是由于三亞雨季旱季時間跨度大以及臺風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坍塌滑坡風險，需要人工主動防護。落筆洞除了已經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，有必要利用計算機技術以及攝影測量技術建立遺址場景的三維數據模型，實現落筆洞遺址的數字化保存與呈現，這樣不僅有利于修繕維護工作，而且還有利于旅游資源的開發以及歷史文化的傳承[6，7]。

2 測量方案

傾斜攝影測量技術是國際測繪領域近年來發展起來的一項高新技術[8]，該技術通過從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，還可通過先進的定位、融合、建模等技術，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）無人機搭載5個SONY ILCE-6000相機，圍繞落筆峰區域進行空間影像數據采集，該相機總共2430萬像素，最高分辨率可達6000×4000。低空數字航空攝影規范規定航向重疊度一般應為70%左右，旁向重疊度一般應為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對無人機傾斜攝影測量的重疊度有更高的要求，航向重疊度達到80%以上，旁向重疊度達到70%以上[12]。

整個測量方案按作業工程分外業和內業兩個階段，按作業內容可以分數據采集、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、不規則三角網（TIN）構建、紋理映射及模型修復等內容，如圖4所示。整個業內數據處理利用大勢重建大師（GET 3D）建模軟件來完成三維建模，并對模型進行優化。

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節[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的刀片式服務器，每臺服務器配置8塊英偉達 RTX 3080 12GB GPU計算設備，將重建大師（GET3D Cluster）部署在兩個服務節點上。由于重建大師（GET3D Cluster）具有集群計算能力，可以充分發揮16塊GPU的計算能力，比單機單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8，515，每個相機拍攝1，703張相片。一共產生連接點551，195，生成特征點2，966，730，單張相片連接點平均數達65個，特征點平均數達到352個，平均地面分辨率為0.0237762。

根據重建大師GET3D生成的空三報告，其中相機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、紋理映射和模型優化等主要內容。經過空三計算得到各個影像的外方位元素后，選取最優的影像匹配單元進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三角網構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。紋理映射完成后經過多層次，多結構計算即可建成三維模型。由于水體、植被等特征點難以匹配，會導致模型出現空洞。本文采用進行大勢模方（ModelFun）軟件通過人工方式碎片、破洞等進行修復，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，通過五相機傾斜攝影測量建立的實景三維模型經過后期修復后，已經沒有破洞等的出現。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 洞內建模

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

本文采用SLAM100手持移動式激光雷達掃描儀來對整個洞體進行精細化掃描與三維成像。SLAM100具有360°旋轉云臺，結合行業級SLAM算法，可在無光照、無GPS條件下獲取周圍環境高精確度和高精細度的三維點云數據，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進行環繞連續拍攝，經過模型計算落筆洞最深處18m，最寬處8m，洞高最高處達到20m，洞內面積約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

落筆洞摩崖石刻經過三維采集和影像增強后粘附于三維崖面，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 結論與討論

盡管落筆洞遺址已經被國務院公布為全國重點文物保護單位，但是由于風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。實景三維建模技術可以有效地應用于落筆洞文化遺址的保護研究和虛擬呈現，并且對文物本體及附屬環境不產生任何破壞，尤其是對具有古人類生活自然遺產的落筆洞來說，其真實性和完整性也可以得到有效保護。

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、節理裂縫等進行定量統計與分析，為當前落筆洞的安全防護與修繕提供了風險性判斷依據和維護數據，如圖11所示。

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

本文采用無人機五相機傾斜攝影測量進行外業數據采集，再通過內業空三計算與三維建模構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進行三維成像，從而完成一項我國重要的古文化遺址-落筆洞的數字化保存與重現。研究成果還可為美術臨摹、虛擬景區漫游、海南古人類生活場景復現等應用提供幫助[17，18]。

此外，在利用激光和視覺攝影測量技術對落筆洞遺址的山體山洞進行全方位數字掃描與三維成像過程中，還發現落筆洞不僅只有落筆洞和仙郎洞兩處已發現的較大溶洞，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分析方法，并與周邊其他山體進行比較，進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、深圳飛馬機器人科技有限公司提供數據支持。

引用

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