基于SLAM的LiDAR提供的以色列北部史前晚期复杂洞穴的形成过程和空间格局

我们介绍了由GeoSLAM Zeb Horizon系统在上加利利（以色列北部）的Har Sifsof洞穴（HSC）进行的基于SLAM的LiDAR扫描，这是一个复杂的喀斯特洞穴，包含丰富且保存完好的考古组合，可追溯到公元前五千年初。在过去十年中，使用地面激光扫描（TLS）系统进行3D洞穴调查迅速增长。然而，这些系统主要适用于扫描易于接近的地下综合体，其特征是大腔室，其中固定扫描站可以舒适地定位并在每次扫描中覆盖广泛的区域。HSC与黎凡特南部丘陵地区的许多其他洞穴一样，其特点是结构混乱，狭窄空间的多样性，旋转挤压，垂直和陡峭的通道。在这样的洞穴中使用TLS系统需要大量的固定扫描点，每个扫描点只捕获洞穴的一小部分，以实现合理的表面覆盖并消除盲点。相比之下，手动携带的基于SLAM的轻量级激光雷达非常适合记录形态复杂的洞穴，因为它允许在“移动中”记录洞穴几何形状，同时不间断地穿过迷宫般的通道。

2016年夏天，来自以色列洞穴研究中心的两位经验丰富的洞穴探险者（V. Boslov和Y. Lisovets）发现了Har Sifsof洞穴。该洞穴位于上加利利的一个温和的朝南山坡上，海拔806米（33°00′32“N 35°25′35”E）（图1）。

 图1 Har Sifsof洞穴及其地理背景：a-b.位置地图（根据谷歌地球调整，2021年）；c.Har Sifsof和洞穴的水平范围（白色多边形

Terra Rossa土壤与碳酸盐母岩形成，并支持以橡树和Pistacia为主的地中海马奎斯的植被（图2a）。今天，该地区用于放牧牛群，而近几十年来，山坡的很大一部分被清除用于使用重型机械进行园艺（图1c）。

图2a.Har Sifsof洞穴的入口，展示了周围的岩石地形和地中海风情（；b.e段和f2段之间的一个小竖井中的一堵古老石墙；c.R段的石笋和钟乳石

Har Sifsof洞穴通过垂直竖井进入，其入口的当前配置在表面上几乎看不到（图2a）。竖井通向一个完全黑暗和潮湿的地下空间的复杂系统，总长518米，垂直范围42米。这使得HSC成为加利利地区最大，最复杂的洞穴之一。

图3 文中提到的三个老化室洞穴（HSC、Abud和Nahal Qanah）的平面图（左）和剖面图（右）。三处遗址都有丰富的考古发现，可追溯到黎凡特史前晚期。a.红十字国际委员会于2016年绘制的HSC; b.Nahal Qanah洞穴,1981年至1991年间由红十字委员会绘制; c.阿布德洞穴，红十字国际委员会于2009年绘制.

洞穴的整个空间可以分为两个“翼”（以下简称东翼和西翼），在入口竖井的底部分支。每个侧翼由房间、画廊和通道组成，这些通道排列在多个楼层中，由垂直或倾斜的空隙连接（图3a）。这些空间的轮廓通常由巨石和沉积物描绘，而基岩露头仅在地下系统的边缘。这种洞穴结构是黎凡特地中海高地地区老化室洞穴的典型特征，包括史前时代晚期使用的洞穴，例如西约旦中部高地的Nahal Qanah和'Abud（图3b-c）。洞穴沉积在不断滴落的区域，沉积物通过洞穴系统上部的裂缝和小空隙从地表渗入（图2c）。

图4. HSC的标准2D洞穴学映射，呈现平面视图和多个轮廓。粉红色阴影标记松散的沉积物。黄色阴影标记了观察到重新沉积的碎石燧石物品的区域。

该洞穴最初以1:200的比例绘制（绘制等级5C），而某些产生密集分布的考古遗迹区域后来以更大的比例（1:50，1:100）绘制。该测绘阶段的结果是生成了洞穴及其各个组成部分的平面视图、剖面图和横截面（图 4）。总共投入了四天实地绘制洞穴地图，随后在实验室进行了大约八天的图形处理和制图（使用LimeLight软件管理制图数据，使用Microsoft Paint进行制图）。

图5 HSC的垂直剖面与洞穴上方的表面相结合，由合并和二次采样的点云产生。GeoSLAM Zeb Horizon激光雷达系统安装在Matrice 600 Pro无人机上进行1号扫描，并用手携带进行2号至10号扫描

为了准确绘制洞穴及其周围环境，我们使用了GeoSLAM Zeb Horizon LiDAR系统，扫描速率为300，000点/秒，视场视图为360°x270°，最大扫描范围为100米，最小扫描范围设置为1米，以避免记录扫描仪及其操作员。最小范围并不限制对狭窄通道的记录，测量只有几十厘米，因为它们的几何形状是从多个位置记录的，同时携带扫描仪穿过洞穴（图5）。

图6. 激光雷达360软件从合并和二次采样的点云生成的激光雷达扫描视图；a.洞穴的一般剖面图，方位335◦. 该视图是为洞穴记录的整个数据的投影，如（b）中的虚线正方形和洞穴的平面视图（c）所示。在图a和图c中，从洞穴空间向地表上升的主轴由白色箭头标记，并编号（1-8）（a）的高程色标也适用于（b）和（c）。粉红色的线条（a）表示水、沉积物和小型燧石物品可能通过洞穴渗透的主要管道。

在实地考察期间，在技术细节上投入了大量时间，主要是建造绳索系统（主要是单绳技术，SRT），这是进入洞穴所需的，并且能够通过一些更偏远、难以进入的部分（见图4、图6）。洞穴的泥泞和湿滑环境，加上垂直通道，迫使在移动和操纵扫描仪时格外小心。

图7.由合并和子采样点云（a-a'、b-b' 和 c-c'）产生的三个横截面。每个横截面的位置和宽度由平面视图（左上角）上的粉红色阴影方块指示

图8.HSC和周围环境的激光雷达扫描镜头，显示了地表地形与地下洞穴结构之间的空间关系

总体而言，在HSC使用基于SLAM的LiDAR系统进行3D洞穴建模被证明是成功的，从而为洞穴及其周围环境创建了单个地理参考点云（图8）。这使我们能够首次检查与地上地形相关的完整洞穴几何形状。

事实证明，基于SLAM的LiDAR系统在恶劣的洞穴环境中运行成功，对几何复杂的洞穴及其近乎亚空中的景观进行了详细的3D扫描。与传统的2D测绘产品相比，可以生成更全面，准确和详细的洞穴图形表示。

源自：Journal of Archaeological Science: Reports 47 (2023) 103745  

 https://doi.org/10.1016/j.jasrep.2022.103745