3D數字掃描—3D數字重建—3D打印技術在地質工程教學中的應用

王建秀 劉笑天 居哲超 殷堯 吳林波 劉琦 楊坪

摘要：在地質工程教學中，需要講授地質體的三維形態與結構特征，而傳統的語言描述、圖片展示、錄影介紹不夠直觀明了。為充分滿足課堂直觀教學需求，基于3D數字掃描、3D數字重建、3D打印技術，對野外地質體結構進行掃描、重建和打印，用重建的3D數字模型和3D打印模型表征野外地質體，用于課堂教學的實體展示。

關鍵詞：3D數字掃描技術;3D數字重建技術;3D打印技術;地質工程教學

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）42-0160-02

一、引言

地質工程教學中，需要講授地質體的三維特征及所處的地質構造環境。以往教學中，采用傳統的語言描述、圖片展示、錄影介紹傳遞相關信息，不夠直觀明了。為滿足課堂直觀教學需求，需使用實體模型。而傳統的實體教學模型采用廠家定制的笨重的木制或者塑料制品，只能教師展示，無法讓每個同學都近距離觀看和仔細鑒定，攜帶不方便，可更新性差。

本文將3D數字掃描、3D數字重建和3D打印技術相結合的“逆向工程”方法引入地質工程教學。在野外工作中，用便攜式3D掃描儀采集野外巖體、小規模斷層、褶皺等的三維形貌點云數據，在三維建模軟件中對其進行3D數字化重建，然后采用3D打印技術，按比例縮小批量打印出相關的實體模型，將教師展示的笨重模型轉化為每個同學手中使用的輕巧的小比尺模型，對于提高教學效率、實現參與式教學具有重要意義。

二、地質體三維信息的3D數字掃描

佘山位于上海市西南30公里處，基巖由12座山丘組成，呈北東-南西向延伸。山體以花崗斑巖、花崗閃長巖等淺層侵入巖體為主，本地區斷裂構造基本屬于壓性和壓扭性，其展布方向大致可歸納為30—35°/NE，295—300°/NW以及335—345°/NW三組[1]。對上海市佘山地區巖體開展了地質體結構的3D掃描工作。采用廣州立鑄電子科技有限公司生產的K100型手持式非接觸被迫式結構光掃描儀。該掃描儀采用投影光柵技術、相位測量技術、計算機視覺技術的三維非接觸式測量方式。利用手持式3D掃描儀獲取空間坐標、顏色信息，并在Skanect軟件中對掃描影響進行預處理，通過修正、降噪、著色等方法建立巖體結構3D掃描模型。得到3D掃描模型通過著色處理后與天然巖體達到較高的吻合度（圖1），巖體結構特征可以清晰展現。

三、地質體三維信息的3D數字重建與3D打印

“逆向工程”原本指產品設計技術再現過程，即對一項目標產品進行逆向分析及研究，從而演繹并得出該產品的處理流程、組織結構、功能特性及技術規格等設計要素，以制作出功能相近，但又不完全一樣的產品[2]。對于地質體結構而言，不同于基于巖體結構統計分析建立的3D巖體結構模型，地質體結構的“逆向”重建是基于逆向工程原理，采用3D掃描技術逆向獲取巖體結構，利用3D數字建模技術與3D打印技術重建3D數字模型與3D實體模型，也是巖體結構研究的一種新手段。

利用Skanect軟件處理得到的3D數字模型僅為初步處理模型，要想實現巖體結構分析及精細化描述必須利用專業3D數字建模軟件對其開展進一步處理，常用軟件包括Geomagic Studio、3ds Studio Max、Rhino等。本文主要采用Geomagic Studio與3ds Studio Max聯合建模，通過對掃描碎片進行剝離、切除，對掃描空洞區進行填補、重建，最終形成完整3D數字模型[圖2（b）]。將3D數字模型通過Cura軟件進行三維打印分層級切片處理和支撐網格劃分，通過賦予打印控制參數生成可用于打印的gcode控制文件[圖2（c）]。

采用荷蘭Ultimaker開源技術生產3D打印機打印巖體結構實體模型。根據三維實體模型水平剖解二維面層信息，利用聚乳酸（PLA）材料在水平方向進行選擇性涂覆打印，形成單層切片模型，然后通過逐步改變豎直坐標實現多層堆積打印將切片模型堆積成為三維實體模型[圖2（d）]。

利用逆向工程原理除了一般局部巖體結構分析外，還可用于隧道開挖輪廓的3D重建分析。采集隧道斷面數據和巖體結構3D掃描數據生成點海量數據點云，采用Geomagic Studio、3ds Studio Max、Rhino等軟件對數據點云進行分析并利用三角網格進行拓撲重建（包括基于Delaunay的方法、隱函數法和區域增長法）。數據點云重建并著色后形成隧道圍巖結構3D數字模型（圖3），最后通過3D打印技術生成隧道圍巖實體模型（圖4）。

四、在地質工程教學中的應用

在研究工作中，本科生采用參加認識實習、畢業設計的方法，參與相關的3D掃描、3D重建、3D打印工程。生成的各種實體模型用于課堂直觀的實體展示。目前，已在地質工程傳統野外實踐教學中增加巖體結構3D掃描與數字重建環節，讓學生自己動手對教學對象開展野外巖體結構3D掃描及3D數字重建。在傳統的節理素描、極射赤平投影、玫瑰花統計等巖體結構分析方法中融入新技術，進一步加深學生對于巖體結構的理解。

五、結束語

基于“逆向工程”原理，采用3D掃描技術對天然巖體結構進行掃描，建立3D掃描模型。通過Geomagic Studio、3ds Studio Max等軟件重建巖體結構3D數字模型。采用Cure軟件對3D數字模型進行支撐網格劃分和切片處理，并賦予打印控制參數，生成能夠被3D打印機識別的geode控制文件。最后利用荷蘭Ultimaker開源技術3D打印機生成實體模型，用于課堂直觀的實體展示，為提升課堂教學效果提供了新的方法和手段。

參考文獻：

[1]吳奕貴，周積元，周振國.上海佘山地區地質構造及巖石力學[J].上海地質，1984，（2）：15-16.

[2]張曉陽.逆向工程技術研究現狀及其在工業設計中的應用研究[J].東方文化周刊，2014，（11）：168.

Application of 3D Scan - 3D Digital Reconstruction - 3D Printing Technology in Geological Engineering Teaching

WANG Jian-xiu，LIU Xiao-tian，JU Zhe-chao，YIN Yao，WU Lin-bo，LIU Qi，YANG Ping

（College of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China）

Abatract：Geological engineering teachings include three-dimensional morphological and structure characteristics of geologic body.However，the traditional teaching methods，such as language description，image display，video introduces，can`t match with current demand.3D scan，3D digital reconstruction and 3D printing technologies are introduced to rebuild geologic bodys digital model and print entity model used in class.

Key words：3D scan;3D digital reconstruction;3D printing;Geological engineering teaching