3D打印技術(shù)在智慧礦山三維建模中的應(yīng)用

陳志勇

（甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)開發(fā)局測繪勘查院，甘肅 蘭州 730000）

1 概述

20世紀(jì)中葉，3D打印技術(shù)在全球已經(jīng)得到一定的發(fā)展和推廣，現(xiàn)如今該技術(shù)已逐漸發(fā)展成熟并且成為當(dāng)前最熱門的技術(shù)之一。2013年在北京召開的世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會成立了世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，這標(biāo)志著3D打印技術(shù)真正進(jìn)入了大規(guī)模應(yīng)用和研究的階段。3D打印技術(shù)根據(jù)三維實(shí)體模型，首先將三維數(shù)字模型變成一定厚度的二維平面模型，再將數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，最后對加工出的每個(gè)二維平面模型粘結(jié)而成型的過程，具體工藝路線圖如圖1所示。

圖1 3D打印技術(shù)成型過程示意圖

對于3D打印技術(shù)的大規(guī)模研究引起了測繪工作者的廣泛關(guān)注。地理信息空間三維數(shù)據(jù)隨著智慧城市、智慧礦山等概念的提出，在GIS領(lǐng)域顯得越來越重要。三維建模是礦山的基礎(chǔ)和核心，通過三維建模對礦山整體及其相關(guān)現(xiàn)象的統(tǒng)一表達(dá)和實(shí)景再現(xiàn)，并且運(yùn)用GIS手段對所涉及的所有空間數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理、分類存儲和深度挖掘利用，已成為測繪行業(yè)一項(xiàng)重要的工作[1]。當(dāng)前，雖然可以以傳統(tǒng)的測量手段獲得的地理信息空間三維數(shù)據(jù)進(jìn)行礦山的實(shí)景再現(xiàn)和基本屬性查詢，但這樣的處理方式對于大范圍而且復(fù)雜多變的礦山不僅效率低下，更可能造成許多真實(shí)信息的丟失[2-3]。例如，在顯示器二維平面上顯示三維實(shí)景數(shù)據(jù)，所呈現(xiàn)的結(jié)果會因人類視覺習(xí)慣而產(chǎn)生很大的差異，這就違背了以三維實(shí)景模型還原真實(shí)場景的初衷?？梢娨酝囊杂?jì)算機(jī)三維模型呈現(xiàn)礦山三維信息的手段難以滿足智慧礦山的需求，如何將計(jì)算機(jī)處理生成的三維實(shí)景模型轉(zhuǎn)換成直觀、清晰的實(shí)景數(shù)字化信息，以快速、真實(shí)、直觀的形式展現(xiàn)到管理者面前，已成為一個(gè)亟待解決的難題[4]。

2 3D打印技術(shù)簡介

3D打印技術(shù)通俗講就是將傳統(tǒng)打印所用的原材料由油墨換成了橡膠、尼龍玻纖、耐用性尼龍、石膏、鋁材料、鈦合金等多種原材料，用逐層打印、疊加成型的方式完個(gè)性化、單個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)制作。

不論何種3D打印技術(shù)，一般都具有快速、低成本、制作材料不限、自由度高、高集成等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于直接生產(chǎn)零件、功能模型、智慧城市、智慧礦山、軍事分析等領(lǐng)域，高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢能為礦山三維建模提供直觀、清晰、精準(zhǔn)的實(shí)景三維模型實(shí)體。

3 三維建模在智慧礦山中的重要性

智慧礦山是指以真實(shí)礦山為主體，以空間地理坐標(biāo)為參考系、以空間數(shù)據(jù)云平臺為基礎(chǔ)和以5G網(wǎng)絡(luò)為技術(shù)支撐，運(yùn)用3S技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、VR技術(shù)等對礦山基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行自動采集、整理、存儲、分析、運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)礦山的基礎(chǔ)智能網(wǎng)聯(lián)、5G通訊、全局調(diào)度和無人化管理的技術(shù)系統(tǒng)。它是對整個(gè)礦山海量基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的真實(shí)再現(xiàn)，旨在實(shí)現(xiàn)礦山的可視化、網(wǎng)格化、智能化。在海量的空間地理信息數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，充分利用空間分析、數(shù)據(jù)挖掘、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，為礦產(chǎn)資源的評估、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、開采、和決策管理實(shí)現(xiàn)最新、最快、個(gè)性化的智能裝配平臺和接口。

三維建模是實(shí)現(xiàn)智慧礦山建設(shè)的基礎(chǔ)與核心。智慧礦山的真正價(jià)值來自于構(gòu)建在三維模型上的采區(qū)管理、運(yùn)輸、通風(fēng)、設(shè)備管理、供電、人員管理等各種應(yīng)用系統(tǒng)。但這些應(yīng)用系統(tǒng)在很大程度上依賴于礦區(qū)的三維模型，沒有三維建模技術(shù)支撐的智慧礦山將是空中樓閣。智慧礦山是礦山測繪中基礎(chǔ)性和實(shí)踐性較強(qiáng)的概念，涉及眾多技術(shù)領(lǐng)域，如地質(zhì)、巷道、硐室、管網(wǎng)、設(shè)備、地形、地面建筑等。就技術(shù)優(yōu)勢而言，精細(xì)、準(zhǔn)確的三維建模使計(jì)算機(jī)中的礦山模型從地上到地下和真實(shí)場景一模一樣，能真正的用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)、開采、分析、決策。智慧礦山三維建模的數(shù)據(jù)來源多種多樣，不同階段的數(shù)據(jù)來源也各有差異。主要是以地理空間數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)、剖面數(shù)據(jù)、各礦層底板等高線數(shù)據(jù)來進(jìn)行三維建模，如圖2所示。

圖2 礦山三維建模數(shù)據(jù)類型

三維模型基于計(jì)算機(jī)屏幕的可視化展示在一定程度上改變了過去數(shù)據(jù)分散、格式不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)利用率低、不直觀等問題。但三維模型數(shù)據(jù)還是存在諸多弊端，在很大程度上制約了礦山立體、真實(shí)數(shù)據(jù)的展現(xiàn)。隨著應(yīng)用的深入，三維數(shù)據(jù)的真實(shí)再現(xiàn)顯得越來越重要。相比之下，3D打印技術(shù)的日益發(fā)展成熟，對僅僅支持可視化的三維模型表達(dá)帶來了更真實(shí)、更直接的改變[5-8]。它以逐層打印、疊加成型的方式向用戶展現(xiàn)地理空間實(shí)體，真實(shí)再現(xiàn)實(shí)體三維景觀。將收集的數(shù)字化和可視化信息以實(shí)體的形式進(jìn)行表達(dá)，如礦山整體模型、礦區(qū)鉆孔分布模型和礦區(qū)剖面模型等，使用戶通過3D打印后的產(chǎn)品對礦山實(shí)體有一個(gè)直觀的理解。

4 3D打印技術(shù)在智慧礦山中的應(yīng)用

4.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

卡瓦鐵礦位于甘肅省肅南裕固族自治縣內(nèi)，與鏡鐵山鐵礦屬于同一成礦帶，其成礦地貌地處河西走廊南山地體與托萊山地體的構(gòu)造結(jié)合部。以卡瓦鐵礦為例，論述模型建立和3D打印流程以及過程中需要注意的問題，具體流程如圖3所示。

圖3 礦山三維模型生產(chǎn)流程

收集整理現(xiàn)勢力較好的包含整個(gè)礦區(qū)范圍的分辨率為0.5m的高分辨率WorldView-2衛(wèi)星遙感影像和精度為12.5m的卡瓦礦區(qū)數(shù)字高程模型。0.5m分辨率的遙感影像在表達(dá)礦區(qū)地物細(xì)節(jié)特征和紋理特征方面尤為重要，這些優(yōu)勢可以為后期礦帶、露頭注記給予幫助；高分辨率的衛(wèi)星影像匹配高精度的數(shù)字高程模型，為礦區(qū)三維立體模型的生產(chǎn)提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)源。礦區(qū)海拔高，常年積雪，氣候條件惡劣，從而使得到的影像云雪覆蓋量大，對后期處理、使用帶來一定困難。利用GIS手段對前期獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行影像配準(zhǔn)、影像校正、鑲嵌、裁切、勻光和勻色。最終得到滿足要求的任務(wù)區(qū)正射影像數(shù)據(jù)（DOM）。根據(jù)得到的DOM數(shù)據(jù)，裁切完成最終的DEM數(shù)據(jù)。對于收集的點(diǎn)、線、面矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理，在場景模型完成后根據(jù)用戶需求定制建模、生產(chǎn)打印個(gè)性化產(chǎn)品。

4.2 三維建模

以SkyLine為軟件平臺，構(gòu)建MPT數(shù)據(jù)、發(fā)布卡瓦鐵礦1000km2范圍內(nèi)的三維場景模型。以收集、整理后的點(diǎn)、線、面矢量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按照需求創(chuàng)建部分個(gè)性化三維模型，如鉆孔分布、剖面等模型數(shù)據(jù)。

模型創(chuàng)建過程中，模型的質(zhì)量檢查對整個(gè)過程起著至關(guān)重要的作用。打開已經(jīng)創(chuàng)建的MPT文件，檢查數(shù)據(jù)是否滿足要求，具體的檢查內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)是否有漏洞和缺失；是否存在高程異常，如凸起、斷層等；接邊處是否存在高差現(xiàn)象。

在完成場景模型的搭建后，根據(jù)需求對單體的模型進(jìn)行粗模、精模、修整、渲染、導(dǎo)出、整飾和集成，最終完成所有模型的創(chuàng)建。

4.3 3D打印

3D打印主要包括計(jì)算機(jī)三維軟件識別。

模型數(shù)據(jù)、三維模型轉(zhuǎn)二維平面模型（二維切片制作）、打印二維薄層、粘合成型。二維薄層從底層開始逐層打印粘合直至頂層完成整個(gè)模型的制作過程，如圖4所示。

圖4 3D打印流程圖

首先啟動3D打印機(jī)，讀取已經(jīng)完成三維模型數(shù)據(jù)，檢查數(shù)據(jù)的正確性，然后將特定格式的模型切片文件傳送給3D打印機(jī)，同時(shí)裝入3D打印材料、調(diào)試打印平臺、設(shè)定打印參數(shù)、最后打印機(jī)開始工作，材料會一層一層地打印出來，層與層之間通過特殊的膠水進(jìn)行粘合，并按照橫截面將圖案固定住，最終經(jīng)過分層打印、層層粘合、逐層堆砌，完整的礦山三維場景模型就完成了。

3D打印機(jī)工作完成后，取出模型實(shí)體，做后期處理，主要包括后期模型固化、剝離、修整等。如，對于一些特殊的鉆孔、剖面懸空結(jié)構(gòu)，需要相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)才可以打印懸空以上的部分，對于多余的支撐需要后期處理；還有，除了3DP的打印技術(shù)可以做到彩色3D打印之外，其他的一般只可以打印單種顏色，所以需要對打印出來的模型進(jìn)行上色，如ABS塑料、光敏樹脂、金屬等，不同材料需要使用不一樣的顏料進(jìn)行著色。

5 小結(jié)

隨著3D打印技術(shù)和大數(shù)據(jù)云平臺技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對采礦業(yè)而言在數(shù)字化信息技術(shù)蓬勃發(fā)展的浪潮中機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，智慧礦山已成為采礦業(yè)大力發(fā)展的重要技術(shù)手段。大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)+等新興技術(shù)的快速發(fā)展，為智慧礦山提供了強(qiáng)大的支持保障，使得智慧礦山在礦產(chǎn)資源規(guī)劃、開發(fā)、生產(chǎn)和管理等方面發(fā)揮的作用越來越顯著[9-10]。智慧礦山三維建模與3D打印技術(shù)的結(jié)合在提高模型生產(chǎn)效率的同時(shí)也提高了原型的復(fù)制性。該模型充分體現(xiàn)了3D打印技術(shù)在數(shù)字礦山三維模型應(yīng)用中的優(yōu)勢，因其快速，高效，集成等優(yōu)點(diǎn)，為后期地質(zhì)找礦、礦山管理大規(guī)模應(yīng)用示范創(chuàng)造有利條件，也必將成為未來地質(zhì)測繪行業(yè)重要操作手段之一[11]。