3D地圖打印技術(shù)研究

王寶成，李曉亮，邢 輝

(河北省制圖院，河北 石家莊 050031)

3D地圖打印技術(shù)研究

王寶成，李曉亮，邢 輝

(河北省制圖院，河北 石家莊 050031)

2015年9月美國(guó)3D打印機(jī)在河北省制圖院落戶。筆者結(jié)合其配套打印軟件，組織技術(shù)人員反復(fù)實(shí)踐，研發(fā)出一套符合我國(guó)實(shí)際的3D地圖生產(chǎn)工藝流程，成功解決了基礎(chǔ)地理信息國(guó)標(biāo)數(shù)據(jù)格式向3D格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、3D地形模型編輯、3D符號(hào)設(shè)計(jì)等一系列難題。該技術(shù)融合了3ds Max、ArcGIS、Global Mapper等多種軟件制圖技術(shù)，具備實(shí)用性強(qiáng)、可操作性強(qiáng)、推廣價(jià)值較高等優(yōu)點(diǎn)。產(chǎn)品涵蓋暈渲地圖、正射影像地圖、專題地圖、物理沙盤等品種。3D打印地圖具備以下特點(diǎn)：色彩鮮艷、地形直觀逼真；色彩設(shè)計(jì)自由，富于變化；精度高；可接收多源數(shù)據(jù)；生產(chǎn)效率高。

3D打?。?D地圖；數(shù)字地形模型；數(shù)字暈渲地圖；3ds Max；ArcGIS；Global Mapper；創(chuàng)新

目前，3D打印屬世界高新技術(shù)范疇，已在各種領(lǐng)域高端技術(shù)中得到實(shí)際應(yīng)用。其原本為“快速原型制造”之意，是20世紀(jì)末源自美國(guó)的一項(xiàng)高新制造技術(shù)，它是在CAD(CAM)技術(shù)、激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)、精密伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)及新材料技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的速成三維實(shí)體模型技術(shù)，主要優(yōu)點(diǎn)是能夠快速精密地制造出復(fù)雜形狀樣品或模型。3D技術(shù)已在世界范圍內(nèi)的生物醫(yī)學(xué)、航天航空、裝備制造、建筑設(shè)計(jì)裝修等領(lǐng)域得到應(yīng)用。在歐洲已有應(yīng)用生物3D打印機(jī)成功打印人體器官的先例。2016年3月美國(guó)成功將3D打印機(jī)送至太空空間站，為太空站維護(hù)提供即時(shí)打印部件服務(wù)。同月，俄羅斯也成功將外殼由3D打印技術(shù)制成的衛(wèi)星發(fā)射太空。在我國(guó)的軍事、機(jī)械制造、電子制造等領(lǐng)域也有相關(guān)應(yīng)用報(bào)道，但在地理信息測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用鮮有報(bào)道。

2015年9月美國(guó)3D打印機(jī)在河北省地理信息局落戶，由其直屬單位河北省制圖院使用。經(jīng)過(guò)近半年的應(yīng)用研究，逐步形成了較為成熟的3D地圖打印技術(shù)。

1 3D地圖打印技術(shù)現(xiàn)狀及工藝流程

1.1 3D地圖打印技術(shù)現(xiàn)狀

筆者充分利用美國(guó)3D打印機(jī)及配套打印驅(qū)動(dòng)軟件，多方搜尋有關(guān)資料，經(jīng)過(guò)反復(fù)研究探索實(shí)踐，成功融合3ds Max、ArcGIS、Global Mapper等多種軟件制圖技術(shù)，研發(fā)出一套3D地圖生產(chǎn)工藝流程。該流程與測(cè)繪生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合緊密，主要解決了基礎(chǔ)地理信息國(guó)標(biāo)數(shù)據(jù)格式向3D格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等一系列難題，具備實(shí)用性強(qiáng)、可操作性強(qiáng)、產(chǎn)品直觀性強(qiáng)的特點(diǎn)，推廣價(jià)值較高。其工藝技術(shù)研究包括數(shù)據(jù)整理、3D地形模型編輯、數(shù)字地圖(暈渲)編輯、3D注記符號(hào)設(shè)計(jì)、3D打印輸出等內(nèi)容。3D地圖產(chǎn)品涵蓋暈渲地圖、正射影像地圖、專題地圖、物理沙盤等品種。不僅能夠生產(chǎn)各種基本比例尺3D地形圖，還能夠根據(jù)顧客需求生產(chǎn)不同尺寸不同比例尺的3D專題地圖。

1.2 工藝流程概況

為便于讀者了解探討該工藝，利于深入研究，筆者根據(jù)實(shí)踐，總結(jié)其工藝流程,如圖1所示。

圖1 3D地圖打印技術(shù)流程

從圖1可以看出，3D地圖打印技術(shù)的核心環(huán)節(jié)為：地圖的3D設(shè)計(jì)和3D打印。其中地圖設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)決定了3D地圖產(chǎn)品表示的主題內(nèi)容及表現(xiàn)形式、外觀視覺(jué)色彩效果及其他物理性狀的數(shù)字參數(shù)。而3D打印技術(shù)能幫助設(shè)計(jì)者成功實(shí)現(xiàn)3D地圖產(chǎn)品從數(shù)字產(chǎn)品到物理產(chǎn)品的輸出。

2 3D地圖設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)資料整理

3D地圖顧名思義為立體地圖，故需要的最基本數(shù)據(jù)為地形數(shù)據(jù)。地形數(shù)據(jù)按照地圖基本比例尺劃分為11種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。如果按照數(shù)據(jù)格式劃分會(huì)更多，但最常用且通用性較好的數(shù)據(jù)格式主要有DXF和Shapefile兩種。數(shù)據(jù)整理包括統(tǒng)一空間參考系、統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式、檢查數(shù)據(jù)完整性、評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)符合性及確定數(shù)據(jù)地理范圍等工作。

在3D設(shè)計(jì)中常用一個(gè)概念，即貼圖。而這里的貼圖即地圖。故需事先編制所需地圖并輸出柵格圖片。編制地圖所需的專業(yè)資料及其整理為業(yè)內(nèi)人士所熟悉，這里不再贅述。

2.2 3D地形模型編輯

2.2.1 數(shù)據(jù)裁剪

根據(jù)項(xiàng)目需要或顧客需求，在ArcGIS里將項(xiàng)目范圍外多余地形數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)剪切刪除，并檢查所需保留數(shù)據(jù)的完整性和屬性內(nèi)容的準(zhǔn)確性。注意在裁剪數(shù)據(jù)時(shí)容易發(fā)生數(shù)據(jù)丟失和遺漏現(xiàn)象，需要制定嚴(yán)格的操作程序。

2.2.2 地形模型編輯

根據(jù)設(shè)計(jì)需求將裁切好的數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行細(xì)化分層以備輸出利用。地形模型編輯主要需要地形數(shù)據(jù)。因此要將該項(xiàng)目所需地形數(shù)據(jù)通過(guò)ArcGIS的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能轉(zhuǎn)換為ASCII格式數(shù)據(jù)或直接另存為一個(gè)地形Shape文件，再將該文件導(dǎo)入Global Mapper中。導(dǎo)入后主要用來(lái)做兩項(xiàng)工作：一是將線狀或點(diǎn)陣格式的地形數(shù)據(jù)生成地形模型數(shù)據(jù)；二是在此環(huán)境下用來(lái)編輯處理數(shù)字暈渲地圖，該工藝在下面章節(jié)中再詳細(xì)介紹。

在Global Mapper環(huán)境下將導(dǎo)入的項(xiàng)目地形數(shù)據(jù)生成3D地形數(shù)據(jù)并導(dǎo)出為GRD格式的3D數(shù)據(jù)；再將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為STL格式的模型數(shù)據(jù)并導(dǎo)入3ds Max中編輯處理地形模型。數(shù)據(jù)導(dǎo)入3ds Max后需要做以下工作：

(1) 縮小模型尺寸。由于導(dǎo)入的地形模型數(shù)據(jù)均為實(shí)地坐標(biāo)數(shù)據(jù)，需要根據(jù)設(shè)計(jì)的3D地形模型比例尺計(jì)算出縮小參數(shù)或3D地圖模型尺寸。按照這個(gè)參數(shù)要求縮小原地形模型到3D打印輸出尺寸的地形模型(標(biāo)準(zhǔn)分幅尺寸或任意分幅尺寸)。

(2) 編輯地形模型。導(dǎo)入3ds Max中的地形數(shù)據(jù)由于經(jīng)過(guò)了若干工藝處理，可能存在缺陷。即使過(guò)程中沒(méi)有意外因素干擾，也由于測(cè)繪數(shù)據(jù)僅僅是用來(lái)生產(chǎn)平面圖或數(shù)據(jù)建庫(kù)而生產(chǎn)的數(shù)據(jù)，其本身就存在不能滿足地形建模的缺陷。因此該流程的工作主要是依據(jù)原地形數(shù)據(jù)資料邏輯修補(bǔ)模型，使之生成正確的符合野外實(shí)地環(huán)境的地形模型數(shù)據(jù)。這是3D地圖生產(chǎn)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.3 數(shù)字暈渲地圖

本環(huán)節(jié)主要有兩個(gè)子環(huán)節(jié)：一是生成彩色數(shù)字暈渲地表效果；二是結(jié)合專題地圖生產(chǎn)技術(shù)編制相應(yīng)專題地圖。

利用前者導(dǎo)入的地形模型數(shù)據(jù)在Global Mapper環(huán)境下生成彩色數(shù)字暈渲地表圖。在生成過(guò)程中，要注意細(xì)化設(shè)置根據(jù)高程數(shù)值分級(jí)設(shè)色的參數(shù)，否則生成的色彩分級(jí)粗糙，色彩變化銜接不自然。要想得到理想的效果圖，往往需要多次的實(shí)踐和比對(duì)試驗(yàn)才能滿足要求。

利用前者導(dǎo)入的專題地圖數(shù)據(jù)，在Global Mapper環(huán)境下利用其圖形管理功能生成彩色專題地圖，可以實(shí)現(xiàn)道路、水系、居民地、境界、行政區(qū)域等要素信息的點(diǎn)狀符號(hào)、線狀符號(hào)、面狀色彩及其注記的參數(shù)管理，進(jìn)而編制一幅漂亮的地圖。當(dāng)然也可在其他環(huán)境下編輯符合設(shè)計(jì)要求的地圖柵格圖片導(dǎo)入利用。

將上述數(shù)據(jù)疊加顯示，即可展現(xiàn)出一幅靚麗的數(shù)字暈渲立體地圖。將生成的地圖按照3D打印參數(shù)要求導(dǎo)出為柵格格式，以備后期利用。

2.4 地形模型與數(shù)字暈渲地圖的貼合及編輯處理

將上述過(guò)程得到的地形模型數(shù)據(jù)和數(shù)字暈渲地圖數(shù)據(jù)均導(dǎo)入3ds Max中貼合并編輯處理。

在3ds Max軟件中的工作，主要是處理地形模型與貼圖(數(shù)字暈渲圖)的套合度和貼合度。要求貼合緊密，而且地貌對(duì)應(yīng)關(guān)系正確。再者就是將項(xiàng)目范圍內(nèi)注記、符號(hào)、面積色等需要突出或立體化設(shè)計(jì)的，均要按照設(shè)計(jì)要求立體化，并調(diào)整其位置、大小。其關(guān)系處理方式與常規(guī)地圖編輯工作近似。特別需要注意的是當(dāng)?shù)貓D比例尺較小時(shí)，注記、符號(hào)等在圖面上相應(yīng)的占位要大些，需要處理好二者之間的相互關(guān)系，才能清晰明確地表示主題。

3 3D打印

3.1 數(shù)據(jù)檢查及打印準(zhǔn)備

前面工作完成后，利用3DEdit Pro軟件打開(kāi)地形模型檢查其是否有破面、重復(fù)面及重復(fù)線等問(wèn)題。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題必須使用軟件的修復(fù)功能進(jìn)行自動(dòng)修復(fù)編輯，整理完成之后保存。如不能自動(dòng)修復(fù)編輯模型數(shù)據(jù)，則需重新導(dǎo)入3ds Max中再次仔細(xì)查找問(wèn)題并修補(bǔ)模型數(shù)據(jù)，完成后再用3DEdit Pro檢查處理。如在檢查破面修復(fù)過(guò)程中貼圖消失，則要把修復(fù)好的地形模型重新導(dǎo)入3ds Max中再次貼圖并調(diào)整。

只有在模型數(shù)據(jù)通過(guò)軟件的上述檢查后，才可準(zhǔn)備打印。甚至需要打印3D地圖小樣進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，確認(rèn)后方可正式打印。

用打印機(jī)軟件3DPrint打開(kāi)模型數(shù)據(jù)。查看打印所用時(shí)間，檢查材料和墨水的用量，如缺失或不足，需及時(shí)更換或補(bǔ)齊。還需檢查打印機(jī)的其他各個(gè)方面工作狀態(tài)是否正常，一切正常后才能執(zhí)行打印操作。

3.2 打 印

地形模型打印一般為實(shí)體打印，耗時(shí)較長(zhǎng)。由于墨頭壽命有限或高溫灼傷，需不定時(shí)更換。更換新墨頭后，又由于新墨頭原色為黑色，原模型不能再繼續(xù)打印。更換墨頭后要經(jīng)自行校正和清洗才可打印模型，因此墨頭、墨水和專用打印粉消耗較多。

3.3 整理和固化

打印完成后需經(jīng)過(guò)清理和固化兩個(gè)處理過(guò)程，才能完成打印的全部操作步驟。

3D模型清理工作需要特別仔細(xì)。模型上地貌、注記和符號(hào)等內(nèi)容均很精細(xì)，很容易遭到破壞。

清理后要經(jīng)過(guò)固化才可使用。固化劑是一種專用液態(tài)膠水，容易黏d附衣物和身體，且易揮發(fā)有氣味，需要注意安全，工作時(shí)要穿戴防護(hù)衣物。

固化劑使用后如暴露在開(kāi)放環(huán)境很快就自然凝固，因此剩余部分要倒回瓶?jī)?nèi)密封再次使用。

3D地圖固化后經(jīng)2個(gè)多小時(shí)即可使用。

3.4 整 飾

為了更好地體現(xiàn)和提高其使用價(jià)值，需要進(jìn)行精美整飾。為其量身定做一個(gè)精美的圖框或底座，至此一幅精美的3D地圖打印完成。

4 產(chǎn)品及工藝流程特點(diǎn)

3D地圖打印工藝具備以下特點(diǎn)：①色彩鮮艷，設(shè)計(jì)自由，富于變化；②地形非常直觀、逼真、清晰易讀；③精度高，數(shù)字模型打印精度為0.075 mm；④可接收多源數(shù)據(jù)(除常規(guī)測(cè)量數(shù)據(jù)外，還包括LiDAR等點(diǎn)云數(shù)據(jù))；⑤生產(chǎn)效率高，一鍵打印成型，較以往傳統(tǒng)立體地圖(沙盤)的生產(chǎn)，周期縮短很多。

5 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)今時(shí)代是創(chuàng)新時(shí)代。創(chuàng)新生產(chǎn)方式、拓展服務(wù)和延伸服務(wù)是提高新型測(cè)繪地理信息保障能力的前提。隨著社會(huì)的進(jìn)步，3D地圖生產(chǎn)技術(shù)將會(huì)越來(lái)越成熟，產(chǎn)品會(huì)更科學(xué)、更完美，使地圖家族更豐富更新穎。尤其是在現(xiàn)代保障服務(wù)觀念的支撐下，是各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)科學(xué)決策、規(guī)劃布局、直觀展示的首選地圖產(chǎn)品，同時(shí)為創(chuàng)建美麗和諧的社會(huì)環(huán)境提供了一個(gè)有力支撐點(diǎn)。

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Research of 3D Map Printing Technology

WANG Baocheng,LI Xiaoliang,XING Hui

(Hebei Provincial Institute of Cartography, Shijiazhuang 050031, China)

The 3D printer made in America was introduced to Hebei Provincial Institute of Cartography in September, 2015. By utilizing its assorted printing software and engaging the technical staff in repeated practice,a set of technological process of production in accord with the reality of China were developed. It succeeds in resolving the series of tough problems, such as transforming the model of the fundamental geographic information data into that of the 3D data, the editing of the 3D elevation models and the designing of the 3D symbols. The technology integrates the cartographic techniques presented in varied software, such as 3ds Max, ArcGIS and Global Mapper, characterized by strong practicability, maneuverability and high value of popularizing. The technology covers hill shading topographic maps, digital orthophoto maps, thematic maps, sand table models and so on. The maps printed by 3D printers are characterized by bright colors making the elevation models real and direct, free color combination rich in variety, impressive accuracy, ability to receive multisource data and high productivity.

3D printing；3D maps；digital elevation models；digital hill shading topographic maps；3ds Max；ArcGIS;Global Mapper；innovation

王寶成，李曉亮，邢輝.3D地圖打印技術(shù)研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(4)：98-100.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0129.

2016-06-06；

2017-01-09

王寶成(1970—)，男，高級(jí)工程師，主要從事地圖制圖、工程測(cè)量、地理信息數(shù)據(jù)處理方面的應(yīng)用及研究。E-mail：13032600242@163.com

P28

A

0494-0911(2017)04-0098-03