从罕见类例中学习：利用Boosting方法克服考古目标检测中的类别不平衡(Class Imbalance)问题

《Heritage》：Learning from the Rare: Overcoming Class Imbalance in Archaeological Object Detection with Boosting Methods Argyro Argyrou, Federico Fasson, Emeri Farinetti, Apostolos Papakonstantinou, Dimitrios D. Alexakis and Athos Agapiou

　　

本研究建立了一个利用多传感器三维(3D)数据的高保真记录框架，以支持城市环境中纪念碑保护与保存的关键决策。研究聚焦于希腊克里特岛伊拉克利翁(Heraklion, Crete)的17世纪莫罗西尼喷泉(Morosini Fountain)，该纪念碑因环境应力、石灰岩与大理石的材料特异性劣化及历史累积干预而面临显著风化。置于当代文化遗产管理背景下，本研究建立了高保真三维数字表征(Digital Representative)，以支持跨学科记录与修复决策支持框架。方法论采用手持式结构光扫描(Structured Light Scanning, SLS)获取高几何精度，结合近景数字摄影测量(Close-range Digital Photogrammetry)确保高保真色彩采集。将纪念碑按建筑构件——如瓣叶(Lobes)、狮雕(Lions)与水池(Basin)——进行策略性语义分割(Semantic Segmentation)，促进了大规模数据集管理，并在具有挑战性的城市条件下（包括强烈直射阳光与活水流动）优化了配准(Alignment)流程。研究成果包括交付具有度量精度的多分辨率模型与二维正交影像(Orthophoto)产品。定量病理图谱(Pathology Mapping)成功识别出特定面板上大面积的受影响表面区域，而多尺度几何形态分析(Geometrical Morphological Analysis)有效识别了高复杂度表面区域，经专家目视评估将其分类为有意艺术造型或活性溶孔侵蚀(Alveolar Erosion)/外源附着物(Exogenous Accretions)。研究得出结论，该增强数字模型是可持续管理不可或缺的工具，能将被动记录转化为主动预测模拟。多传感器三维数据的实施为高风险的文物保护决策提供了必要的证据基础，证明全面数字化记录在 urban heritage landmarks 复原力中的至关重要性。

论文解读：基于多传感器三维数字化与定量病理分析的莫罗西尼喷泉文化遗产保护记录框架研究

研究背景与立项依据

当代三维(3D)数字技术可为城市历史纪念碑提供高精度几何与色彩模型，具有非接触、非侵入特性，有助于记录、分析及监测文物保存状况。然而，位于活跃城市环境中的文化遗产（如希腊克里特岛伊拉克利翁的17世纪莫罗西尼喷泉 Morosini Fountain）面临强烈日光、活水流动、高人流量、石材风化（溶孔侵蚀 Alveolar Erosion、盐析、生物附着等）及过往不当修复干预等多重挑战，导致传统单一传感器（如地面激光扫描 Terrestrial Laser Scanning, TLS）难以同时兼顾复杂浮雕深凹处的几何完整性与纹理色彩保真度，且既有保护记录多为定性描述，缺乏可量化的病害面积与程度基准数据，难以支撑资源分配与长期监测。此外，风化石灰岩雕塑中"有意艺术造型"与"材料活性 decay"在形态上难以区分，妨碍针对性修复决策。因此，研究人员开展此项研究，旨在通过集成多传感器三维获取、语义分割及多尺度几何形态分析，建立高保真、可量化的文化遗产记录与决策支持框架，为莫罗西尼喷泉及同类城市遗产的可持续管理提供证据基础。该论文发表于《Heritage》期刊。

主要关键技术方法

研究人员以莫罗西尼喷泉（直径约7 m、高约3 m，含八瓣叶 Lobes、四狮雕 Lions、八平板 Panels 及多边形基座）为对象，实施四阶段方法：(A)规划与语义分割——将纪念碑划分为独立构件分别采集；(B)多传感器数据采集——采用手持结构光扫描仪(Handheld Structured Light Scanning, SLS, EinScan Pro HD，精度0.05 mm，手持HDscan 0.5 mm/RapidScan 0.7 mm)捕获高密几合点云，配合高分辨率无反相机(Sony A7R III, 42 Mpixel)进行近景数字摄影测量(Close-range Digital Photogrammetry)，各构件拍摄并确保≥80%重叠度及色彩校准；(C)后处理——SLS数据用EXScan Pro对齐、MeshLab去噪拼合，摄影测量数据用RealityCapture对齐重建网格（初始1 mm，分构件导出1.4–1.8 mm），对瓣叶进行圆柱展开(Unwrapping)生成二维正交展开图；(D)成果交付——生成带纹理三维模型、各视角正交投影(Orthophoto)及展开图。在此基础上，研究人员于正交展开图与三维网格上由文保专家勾绘病害边界，计算三维曲面上的真实病害面积(mm²及占总表面积%)，并借助CloudCompare对狮雕进行双尺度几何粗糙度(Roughness)分析（核半径50 mm宏观形态偏差与5 mm微观纹理偏差）以区分艺术造型与活性侵蚀/外源沉积物。

研究结果

2. Historical Context and Characteristics of the Monument

介绍了莫罗西尼喷泉建于1628年威尼斯统治时期，由阶梯底座、八瓣叶石灰岩水池(32块浮雕面板，饰海神赛提斯 Marine Thiasos：海豚、海马、特里同 Tritons、涅瑞德斯 Nereids 及威尼斯贵族纹章)、八角柱及背承圆形水池的四尊石灰岩狮雕组成（原顶置海神波塞冬像已佚）。阐述了奥斯曼与埃及占领期的人为改动（开槽损及浮雕、加建后拆除）及1976–2017年间至少36种材料的干预史。指出现存主要劣化因子为：水与盐分（上升潮气、循环水残留盐分、既往化学加固剂诱发盐结晶）、海滨城市强风携盐粒沉积磨蚀、人类活动（2023年狮面局部 vandalism）及旅游运营阻碍停水维护，强调2008年后主管机构转向预防性最小干预策略。

3. Fieldwork Context and Challenges of Digitization

归纳现场数字化三大挑战及应对：(1)形态与材质约束——因风化脆弱禁用物理标记，按语义分割构件并规划扫描路径保证相邻采集≥20%重叠以保配准精度；(2)环境与操作障碍——选阴天或设移动遮光设施避强光阴影，经文物部门批准暂停水流排空水池待石材干燥后采集以防折射反射噪声；(3)城市物流与场地通达——限时作业，设围挡保设备安全，搭移动脚手架(约3 m)抵近高位雕刻区，建立分层数据管理系统应对多TB异构数据集。

4. Methodology

详述上述四阶段流程。特别指出SLS弥补TLS在深浮雕与悬垂部位产生的遮挡盲区并提供亚毫米点密度以侦测微形态变化，摄影测量则保障辐射度一致的高保真色彩用于病害色泽判读；二者在构件层级融合（几何为主、纹理映射），而非简单冗余覆盖。后处理中对八瓣叶采用先切除顶部/内背面/残留直段，再按中心圆柱段与两侧直段分拆圆柱展开( Cylindrical Unwrapping)，拼接消除大曲率畸变，生成供病害标注用的平铺展开图(Unwrappings)。

5. Quantitative Analysis of Pathologies

说明病害量化流程：文保专家在正交展开图/正交影像上勾绘病理边界（如材料缺失 Material Loss、表面崩解 Disintegration/侵蚀 Erosion 与剥落 Exfoliation、孔洞与麻点 Cavities and Pitting、旧修复砂浆 Mortar Fills 等），将二维矢量映射到三维网格对应三角面提取表面积。对比发现三维曲面积显著大于二维正交投影面积（尤在具深溶孔或高浮雕区），证明须基于三维网格量化以避免低估。以平板P1（女特里同 Female Triton）为例：材料缺失占0.65%，旧砂浆填充21.5%–23.5%，表面崩解13%–14%，含孔洞麻点总受影响面积达25.5%；以瓣叶LB1（Giovanni I Corner 纹章）为例：表面崩解17.5%，材料缺失2%，砂浆填充21%。

Geometrical Morphological Analysis (Lion Sculpture)：对狮雕进行双核粗糙度分析——Roughness 50（邻域最佳拟合平面距离偏差）突出宏观形态改变，红色高值区出现于吻部（提示活性溶孔 Honeycombing/严重解体）与基座（提示盐霜引致起鳞 Scaling/碎裂），蓝色低值区（侧腹后躯）为稳定对照；Roughness 5（5 mm微尺度）显示鬃毛脊部因高比表面积轻度风化（红岛），鬃毛沟槽因外源附着物呈高微粗糙度（与Roughness 50低值形成反差可诊断沉积物）。综合两尺度可将"有意艺术深褶"与"侵蚀坑洞/沉积物"区分开，为修复选择性处理提供依据。量化指标与形态诊断共同构成可复现的决策变量。

6. Discussion

讨论指出本框架核心价值在于推动文化遗产条件描述由主观定性转向空间参照的定量证据以支持行政与保护决策。多传感器策略（SLS+摄影测量）提供单一传感器在严苛环境下无法实现的"基准真相(Baseline of Truth)"——摄影测量保色彩解释力，SLS保几何稳定性以利变化侦测与构件复制。量化病理映射与双尺度粗糙度分析使利益相关方可：(1)优先排序干预——区分需紧急稳定的活性病害与稳定表面沉积；(2)资源估算——按精确表面积算修复材料（砂浆、加固剂）用量；(3)纵向监测——建度量严谨的参照系追踪衰减速率。进一步建议长期数字治理需包含元数据与溯源(Provenance)、数据分级（轻量衍生品供非技术用户访问）及跨学科整合，未来宜将产出衍生物纳入机构知识库或Web端 viewer 以补全流程。强调成功源于适应性的跨学科协作。

7. Conclusions（结论翻译）

本研究建立了专为支撑城市环境中关键保护决策的高保真记录框架。通过多传感器三维数据，给出了莫罗西尼喷泉具度量可靠性的数字表征。该方法论的主要价值在于实现从被动记录向主动决策支持的转型。在此高人流城市语境下，保护策略可能涉及原位预防，或更不可逆的干预（如构件迁址与原物置换高精度复制品），均影响真实性、结构安全及社区接受度。为降低风险，所提框架提供：(i)用于纵向变化检测(Change Detection)经验证的几何基线；(ii)用于透明优先级排序与资源分配的量化病理指标；(iii)在论证合理时可支持精确复制或替代的生产级数字资产。关键结论如下：提供决策就绪证据——指示性量化映射与多尺度粗糙度诊断为将目视评估转化为可测决策变量（mm²及百分比）的概念验证；诊断精度——形态诊断有效区分有意艺术造型与活性材料劣化，使针对性保护成为可能；策略韧性——数字架构使遗产管理部门能评估高风险管控方案（预测模拟、纵向监测、必要时毫米级复制品置换）以保障原物免于不可逆损失；可持续遗产管理——战略性语义分割与双用途资产（高分辨率展开图及轻量语义模型）确保数据既服务于专业保护治理又服务于公众传播。莫罗西尼项目证明全面数字化记录对城市遗产地标韧性的至关重要性，所建框架将三维模型转化为可持续管理不可或缺之工具，确证材料完整性与文化意义得以传续。数字途径赋能保护者与决策者作出高风险判断（含濒危原件迁址与高精度复制品替置），维系纪念碑于城市肌理中的长期韧性与社会文化存在。