3D打印技術(shù)在測繪領(lǐng)域中的應(yīng)用

◇山東理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 徐 工 蘇曉慶

本文通過對3D打印技術(shù)進行簡要描述，在測繪領(lǐng)域?qū)ふ伊己玫那腥朦c，研究3D打印技術(shù)在測繪領(lǐng)域的實際應(yīng)用。以立體地圖制作、房屋模型制作、地形沙盤及教學(xué)應(yīng)用等方面為例，分析3D打印技術(shù)在測繪相關(guān)領(lǐng)域的實際應(yīng)用價值，擴大3D打印技術(shù)在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用深度。

1 引言

3D打印技術(shù)改變了傳統(tǒng)的模型制作方式，實現(xiàn)了從數(shù)字三維模型到實體三維模型的轉(zhuǎn)變。3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)的依靠電子設(shè)備實現(xiàn)可視化的3D模型不同之處在于，3D打印技術(shù)使三維模型能快速的顯示出立體感。目前，這項技術(shù)已擴展到軍事、服裝和教育領(lǐng)域，并有望為測繪領(lǐng)域的發(fā)展方向帶來革命性的變化[1]。本文通過對三維數(shù)字模型進行優(yōu)化處理從而得到精準的三維實體模型。將3D打印技術(shù)初步應(yīng)用于測繪行業(yè)，在立體地圖、地形可視化分析、GIS測繪沙盤、教學(xué)、文物修復(fù)等方向中發(fā)揮巨大應(yīng)用。

2 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)在本世紀屬于世界高科技范疇，主要采用分層打印來實現(xiàn)精準的制造實體模型，3D打印技術(shù)集成了正反向造型、三維模型數(shù)字化、實體分層制造等高新技術(shù)于一體的綜合性技術(shù)，能自動、高效、準確地轉(zhuǎn)化三維模型的設(shè)計理念和思想為所需三維實體模型。

3D打印模型是由三維軟件建?；蛘呤峭ㄟ^三維掃描逆向工程來建立模型，這就存在多方面的誤差，最主要的是造型誤差，尤其是通過三維掃描逆向工程將掃描得到的數(shù)據(jù)建立成模型，容易出現(xiàn)STL數(shù)據(jù)精度不夠，所形成的計算機模型只能實現(xiàn)一階近似，和理想模型之間存在一定偏差。隨著計算機軟件處理水平的不斷提高，今后可不斷降低由STL數(shù)據(jù)帶來的誤差，但不能完全消除。

3 3D打印在測繪領(lǐng)域中的應(yīng)用

3.1 立體地圖制作

與傳統(tǒng)紙質(zhì)地圖相比，立體地圖更加的直觀、生動、豐富[2]。在陌生地區(qū)的工程作業(yè)中，工作人員可能需要攜帶大量的資料設(shè)備，而將3D打印技術(shù)引入，與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、北斗衛(wèi)星等資源聯(lián)合可提前獲取該地區(qū)環(huán)境狀況[3]。將獲取的地形數(shù)據(jù)，快速地轉(zhuǎn)換成立體地圖，包括地形地貌、城市房屋、道路路況等，可為相關(guān)部門和團隊的前期準備提供依據(jù)，并且3D打印制作的立體地圖可以根據(jù)需求更換材料，從而達到質(zhì)量輕、還原度高、攜帶方便的特點，降低了工作人員的設(shè)備負荷。立體地圖在實際科學(xué)研究中具有重要意義，可以直接顯示研究區(qū)地形地貌的變化，提取研究區(qū)的地形模型和地形特征，顯示地物的空間關(guān)系。立體地圖可以模擬研究區(qū)的地形起伏，有助于更好地了解地形的空間關(guān)系，提高空間分析能力。

立體地圖同樣為各種機構(gòu)提供了實際的模擬環(huán)境模型，通過立體地圖顯示，實現(xiàn)對現(xiàn)場情況的模擬，為方案的迅速決策提供技術(shù)支持，以此來實現(xiàn)科學(xué)高效的計劃。在各類救援行動中，當?shù)乩憝h(huán)境遭到不可預(yù)知的破壞時，能否準確并及時地獲取到地理空間信息，已成為救援行動能否進步和發(fā)展的重要瓶頸。在不可預(yù)知的陌生環(huán)境中，利用以往的方式去獲取信息往往是不可能的?，F(xiàn)在，利用數(shù)字信息化的資源，3D打印技術(shù)可以快速地將實時的三維數(shù)字模型快速地轉(zhuǎn)化成直觀的3D可觀產(chǎn)品，快速集成和采集各種信息，為相關(guān)部門的地理空間信息和各種專題信息提供全面的保障。

3.2 房屋模型制作

3D打印能夠制作建筑物的模型，此模型在實際中的應(yīng)用同樣廣泛[4]，如圖1所示。首先在房屋設(shè)計階段，可以為住戶提供更加立體直觀的房屋模型，使住戶對房屋構(gòu)造有更加清晰的認識，配合各種家具等裝置的使用，使用戶能夠更直觀地對房屋進行設(shè)計，提高裝修體驗。其次，消防救援中可以為消防員提供建筑內(nèi)的實際概況，為救援滅火提供比較直觀的建筑情況，減少危險。

圖1 房屋模型

3.3 地形沙盤

三維立體沙盤能夠生動地展現(xiàn)地形地貌特征，能夠藝術(shù)地展現(xiàn)人們所觀察到的真實世界。三維實體沙盤直觀、三維真實、方便實用，因此在軍事、規(guī)劃、展覽等部門得到廣泛應(yīng)用[5]。盡管電子地圖的應(yīng)用越來越多，但實體沙盤的永久性、藝術(shù)性、直觀的三維性和真實性是電子地圖無法超越的。一個設(shè)計精良的三維實體沙盤模型不僅是一件珍貴的藝術(shù)品，更是一種觀賞性的展示，更是一種有價值的應(yīng)用。在現(xiàn)實生活中，沙盤通常用于展覽和教學(xué)，這就要求選用防水、耐腐蝕、防潮的材料，在使用沙盤的過程中，會涉及到運輸問題，因此有必要選擇固體材料制作三維固體沙盤模型。為了更好地表現(xiàn)沙盤的精細、多彩、美觀等特點，在制作沙盤時，通常采用寫實明顯的方式、符號等方式來表現(xiàn)。在模型的設(shè)計中，不僅要把握地形地貌的準確性，還要使地表信息得到充分的表達，使每一個要素都得到生動的展示，利用遙感圖像來表示模型的顏色，不僅可以準確、全面地展現(xiàn)該區(qū)域的地形地貌特征，而且可以準確地保證定位的準確性，同時也體現(xiàn)了技術(shù)的創(chuàng)新功能。

3.4 教學(xué)應(yīng)用

在教學(xué)中3D打印可為教學(xué)提供幫助，如課上提供3D地形圖模型、測繪儀器的3D模型等，為教學(xué)提供更加直觀的模型。該技術(shù)可以應(yīng)用于測量的理論教學(xué)中，還可應(yīng)用到實踐類的測繪教學(xué)，如制作三維實體測量儀器模型為學(xué)生認識儀器構(gòu)造提供幫助，為實習(xí)的學(xué)生提供實習(xí)場地的地圖指導(dǎo)，為其講解即將測量的地形。

傳統(tǒng)的測量教育主要依靠教師講解和PPT的結(jié)合，但在測量教學(xué)任務(wù)中，相當一部分知識點是測量儀器的結(jié)構(gòu)，這種方式很難清楚地描述復(fù)雜的測量儀器。此外，一些學(xué)生的空間想象力較弱，無法達到比較好的課堂效果。一方面，由于班上學(xué)生人數(shù)眾多，無法讓所有學(xué)生都仔細觀察，如果老師在講臺上講解測量儀器，教室后面的學(xué)生將無法對儀器的外觀有清晰的印象。測量儀器是一種精密儀器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，離不開教師的眼睛。如果每個學(xué)生都能觀察測量儀器，教師必須陪同和駕駛，這將花費很長時間，降低教學(xué)效率。儀器也可能會造成意外損壞，使用實物測量儀器進行講解的可行性不高。

測繪儀器3D模型是由3D打印技術(shù)制造的物理模型。測量儀器的物理模型可以通過3D打印技術(shù)實現(xiàn)，可以替代測量儀器實物來講解測量儀器的結(jié)構(gòu)，可用于測量原理和儀器使用教學(xué)。三維打印測量儀器模型能較為準確表達各種測量儀器結(jié)構(gòu)，方便教師教學(xué)。三維打印工具模型簡單高效，具有價格高、成本低、堅固等優(yōu)點。教師可以使用筆對儀器各個結(jié)構(gòu)進行標識，以幫助學(xué)生更好地理解儀器的結(jié)構(gòu)。這種模式可以提高教學(xué)效率。

4 結(jié)束語

本文對3D打印技術(shù)在立體地圖制作、房屋模型制作、地形沙盤及教學(xué)應(yīng)用等測繪領(lǐng)域的四個方面進行了應(yīng)用分析，建立出各類立體模型并進行了3D打印，從理論應(yīng)用到實踐，為后續(xù)3D打印的研究提供了支持。3D打印技術(shù)在測繪的應(yīng)用會為測繪專業(yè)技術(shù)及產(chǎn)品創(chuàng)新帶來新的發(fā)展。與傳統(tǒng)手工制作模型的工藝相比，3D打印技術(shù)可以輕松制造手工無法制作的復(fù)雜的三維模型，并保證其精度。同時，這種技術(shù)可以減少勞動力，降低制造模型的成本，縮短生產(chǎn)模型的時間，在建筑、應(yīng)急救援、教學(xué)等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。