基于实景三维建模的落笔洞古人类遗址数字化保存＊

杨博雄 李社蕾 周波 汪舜敏 李海军 张开存

1.三亚学院信息与智能工程学院；2.三亚学院陈国良院士团队创新中心

三亚落笔洞是中国海南地区迄今发现的最早的古人类文明遗址，具有极高的历史文化价值。本文通过采用无人机搭载五相机倾斜摄影测量仪进行落笔洞区域的空间影像数据采集，再通过专业的建模软件-重建大师进行空三计算与三维建模，构建了我国落笔洞区域的高精度实景三维模型。同时，利用手持激光与视觉扫描仪对洞内进行三维激光扫描与立体视觉成像，实现对落笔洞古文化遗址的数字化保存与计算机三维重现。研究成果可为落笔洞的保护与修缮、虚拟景区漫游、海南古人类生活场景复现、摩崖石刻书法艺术立体赏析等应用提供帮助。

中国落笔洞古人类遗址位于海南省三亚市东北的落笔峰（东经109.540718°，北纬18.327827°），如图1所示，处于三亚学院内，距今已有1万多年历史，是海南岛已发现的时代最早的旧石器时代遗址，也是迄今为止中国旧石器文化分布最南的一处遗址[1]。

图1 落笔洞遥感影像图Fig.1 Remote sensing image of Luobi Cave

1992年3月，中国考古人员在落笔洞内首次发现了古人类牙齿化石，落笔洞成为迄今为止海南发现的最早的人类聚居场所[2]。落笔洞系燕山运动的产物，主要是由于受到地壳深部的物质上涌发生挤压，从而向上隆起产生张力并形成断裂，导致这里的石灰岩一部分上升，一部分下降。落笔洞为天然石灰岩溶洞，因洞中央有两根钟乳垂吊，形如巨笔悬空而得名[3]，如图2所示。

图2 落笔洞古人类遗址Fig.2 Ancient human site of Luobi Cave

落笔洞的摩崖石刻甚多，洞中石壁上刻有历代名人诗词共有七处之多。最早题刻是宋代游寓诗人倭倭才的石刻，距今已有1000多年历史[4]，如图3所示。因此，落笔洞遗址不仅具有极高的地质地理与生态研究价值，而且还具有很高的历史文化考古价值。

图3 落笔洞摩崖石刻Fig.3 Rock carvings on the cliff of Luobi Cave

1 遗址现状

落笔洞古人类遗址从发现后很长一段时间处于无保护状态。落笔洞遗址东北面属于遗址保护范围约1万平方米的缓坡地带被开发成了香蕉园。在落笔洞的洞口内，很多人随意在洞壁上刻画，对古人留下来的摩崖石刻形成直接的威胁。落笔洞脚下的古河床也变成了垃圾场。由于风吹日晒和暴雨侵蚀，落笔洞裸露岩石不仅损坏严重，而且还有脱落危险[5]。

2010年6月，落笔洞遗址被国务院公布为全国重点文物保护单位，改变了落笔洞一直处于无保护的状态，自此落笔洞遗址有了明确的保护开发主题，并实施封闭式管理，得到全面的保护和修缮。

尽管来自人为破坏的风险大大降低，但是由于三亚雨季旱季时间跨度大以及台风暴雨频繁等自然条件的影响，落笔洞及所在的落笔峰近年来也开始显现坍塌滑坡风险，需要人工主动防护。落笔洞除了已经探明两处具有敞开出口的较大洞穴外，还有不少小的隐藏的熔岩洞，这些溶洞因为地处高处，导致修缮工作困难重重而处于危险境地。

对于落笔洞这样一处极具考古以及历史文化价值的遗址，有必要利用计算机技术以及摄影测量技术建立遗址场景的三维数据模型，实现落笔洞遗址的数字化保存与呈现，这样不仅有利于修缮维护工作，而且还有利于旅游资源的开发以及历史文化的传承[6，7]。

2 测量方案

倾斜摄影测量技术是国际测绘领域近年来发展起来的一项高新技术[8]，该技术通过从1个垂直和4个倾斜角度同步采集地面影像，不仅能够真实地反映地物情况，高精度地获取物方纹理信息，还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成带有位置、高度、真实纹理等属性的实景三维模型[9，10]。

本文采用大疆（DJI）无人机搭载5个SONY ILCE-6000相机，围绕落笔峰区域进行空间影像数据采集，该相机总共2430万像素，最高分辨率可达6000×4000。低空数字航空摄影规范规定航向重叠度一般应为70%左右，旁向重叠度一般应为60%左右[11]。为满足1:500航测精度和5cm的模型精度，在无高程建筑、地形地物高差比较小的落笔峰测区对无人机倾斜摄影测量的重叠度有更高的要求，航向重叠度达到80%以上，旁向重叠度达到70%以上[12]。

整个测量方案按作业工程分外业和内业两个阶段，按作业内容可以分数据采集、空三处理、三维建模3个部分，其中空三处理包括影像预处理、影像特征提取与匹配、空三加密以及稀疏点云生成等；三维建模包括多视影像密集匹配、不规则三角网（TIN）构建、纹理映射及模型修复等内容，如图4所示。整个业内数据处理利用大势重建大师（GET 3D）建模软件来完成三维建模，并对模型进行优化。

图4 落笔洞实景三维建模测量方案Fig.4 Real 3D modeling and measurement scheme of Luobi Cave

3 空三计算

空三计算是实景三维建模最重要的一个环节[13]。由于空三计算需要耗费大量算力，本文选用两台主频为3.7GHz的Intel Xeon E3-1240v6 CPU的刀片式服务器，每台服务器配置8块英伟达 RTX 3080 12GB GPU计算设备，将重建大师（GET3D Cluster）部署在两个服务节点上。由于重建大师（GET3D Cluster）具有集群计算能力，可以充分发挥16块GPU的计算能力，比单机单GPU的处理方式要快15倍以上。

本次空三计算一共耗时9小时36分钟，一共处理相片总数8，515，每个相机拍摄1，703张相片。一共产生连接点551，195，生成特征点2，966，730，单张相片连接点平均数达65个，特征点平均数达到352个，平均地面分辨率为0.0237762。

根据重建大师GET3D生成的空三报告，其中相机位置重投影误差如图5所示，最小重投影误差为0.239像素，最大重投影误差为1.598像素，平均重投影误差为0.734像素。

图5 相机位置重投影误差Fig.5 Reprojection error of camera position

连接点重投影误差如图6所示，最小重投影误差为0.000像素，最大重投影误差为2.975像素，平均重投影误差为0.548像素。

图6 连接点重投影误差Fig.6 Reprojection error of connection points

4 三维建模

三维建模包括影像密集匹配、纹理映射和模型优化等主要内容。经过空三计算得到各个影像的外方位元素后，选取最优的影像匹配单元进行逐像素匹配和特征匹配形成高密度真彩色点云，再通过TIN三角网构建和纹理映射将纹理空间中纹理像素映射到屏幕空间像素。纹理映射完成后经过多层次，多结构计算即可建成三维模型。由于水体、植被等特征点难以匹配，会导致模型出现空洞。本文采用进行大势模方（ModelFun）软件通过人工方式碎片、破洞等进行修复，最终形成的落笔峰实景三维模型如图7所示。

图7 落笔峰实景三维模型Fig.7 Real 3D model of Luobi Peak

从落笔峰实景三维模型的峰顶可以看出，通过五相机倾斜摄影测量建立的实景三维模型经过后期修复后，已经没有破洞等的出现。在建立的实景三维模型上，不仅可以观察落笔峰的植被、岩土等可视信息，还可以计算出落笔峰山体体积、裸露岩石表面面积等量测信息，如图8所示。

图8 可量测实景三维模型Fig.8 Measurable 3D model

5 洞内建模

对于洞体内信息的三维建模则不能用无人机倾斜摄影测量来采集数据，一般采用基于SLAM（即时定位与地图构建）方法的手持式3D激光和视觉扫描仪进行空间扫描成像[14-16]。

本文采用SLAM100手持移动式激光雷达扫描仪来对整个洞体进行精细化扫描与三维成像。SLAM100具有360°旋转云台，结合行业级SLAM算法，可在无光照、无GPS条件下获取周围环境高精确度和高精细度的三维点云数据，同时还配有三颗500万像素摄像头，形成宽200°、高100°超宽视场角，可在光照条件下同时获取纹理信息，生产彩色点云或局部全景图。

本文以落笔洞入口为起点，手持SLAM100进行环绕连续拍摄，经过模型计算落笔洞最深处18m，最宽处8m，洞高最高处达到20m，洞内面积约180m2，获取的激光和视觉三维模型如图9所示。

图9 落笔洞三维模型Fig.9 Three-dimensional model of the Luobi Cave

落笔洞摩崖石刻经过三维采集和影像增强后粘附于三维崖面，形成可以立体观看的摩崖石刻文字，如图10所示。

图10 落笔洞摩崖石刻三维实景图Fig.10 3D real scene of rock carving on the cliff of Luobi Cave

6 结论与讨论

尽管落笔洞遗址已经被国务院公布为全国重点文物保护单位，但是由于风吹日晒的侵蚀以及干旱暴雨等的破坏，落笔洞依旧受到损毁的威胁。实景三维建模技术可以有效地应用于落笔洞文化遗址的保护研究和虚拟呈现，并且对文物本体及附属环境不产生任何破坏，尤其是对具有古人类生活自然遗产的落笔洞来说，其真实性和完整性也可以得到有效保护。

基于摄影测量建立的实景三维模型可以对裸露岩面的裸露面积、节理裂缝等进行定量统计与分析，为当前落笔洞的安全防护与修缮提供了风险性判断依据和维护数据，如图11所示。

图11 基于落笔洞实景三维模型的修缮与保护Fig.11 Repair and protection based on the three-dimensional model of Luobi Cave

本文采用无人机五相机倾斜摄影测量进行外业数据采集，再通过内业空三计算与三维建模构建了落笔峰实景三维模型。同时采用手持3D激光视觉扫描仪对洞内进行三维成像，从而完成一项我国重要的古文化遗址-落笔洞的数字化保存与重现。研究成果还可为美术临摹、虚拟景区漫游、海南古人类生活场景复现等应用提供帮助[17，18]。

此外，在利用激光和视觉摄影测量技术对落笔洞遗址的山体山洞进行全方位数字扫描与三维成像过程中，还发现落笔洞不仅只有落笔洞和仙郎洞两处已发现的较大溶洞，整个落笔峰里面还有很多未知的小型溶洞和孔隙溶洞值得探究。未来，可以利用高光谱遥感和岩土力学分析方法，并与周边其他山体进行比较，进而挖掘出更多有价值的地理和考古信息。

本论文感谢海南华诚测绘科技有限公司、深圳飞马机器人科技有限公司提供数据支持。

引用

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