3D打印技術在智慧礦山三維建模中的應用

陳志勇

（甘肅省地質礦產開發局測繪勘查院，甘肅 蘭州 730000）

1 概述

20世紀中葉，3D打印技術在全球已經得到一定的發展和推廣，現如今該技術已逐漸發展成熟并且成為當前最熱門的技術之一。2013年在北京召開的世界3D打印技術產業大會成立了世界3D打印技術產業聯盟，這標志著3D打印技術真正進入了大規模應用和研究的階段。3D打印技術根據三維實體模型，首先將三維數字模型變成一定厚度的二維平面模型，再將數據進行相應的處理，最后對加工出的每個二維平面模型粘結而成型的過程，具體工藝路線圖如圖1所示。

圖1 3D打印技術成型過程示意圖

對于3D打印技術的大規模研究引起了測繪工作者的廣泛關注。地理信息空間三維數據隨著智慧城市、智慧礦山等概念的提出，在GIS領域顯得越來越重要。三維建模是礦山的基礎和核心，通過三維建模對礦山整體及其相關現象的統一表達和實景再現，并且運用GIS手段對所涉及的所有空間數據進行收集整理、分類存儲和深度挖掘利用，已成為測繪行業一項重要的工作[1]。當前，雖然可以以傳統的測量手段獲得的地理信息空間三維數據進行礦山的實景再現和基本屬性查詢，但這樣的處理方式對于大范圍而且復雜多變的礦山不僅效率低下，更可能造成許多真實信息的丟失[2-3]。例如，在顯示器二維平面上顯示三維實景數據，所呈現的結果會因人類視覺習慣而產生很大的差異，這就違背了以三維實景模型還原真實場景的初衷。可見以往的以計算機三維模型呈現礦山三維信息的手段難以滿足智慧礦山的需求，如何將計算機處理生成的三維實景模型轉換成直觀、清晰的實景數字化信息，以快速、真實、直觀的形式展現到管理者面前，已成為一個亟待解決的難題[4]。

2 3D打印技術簡介

3D打印技術通俗講就是將傳統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性化、單個產品的生產制作。

不論何種3D打印技術，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，可廣泛應用于直接生產零件、功能模型、智慧城市、智慧礦山、軍事分析等領域，高效率、高精度的獨特優勢能為礦山三維建模提供直觀、清晰、精準的實景三維模型實體。

3 三維建模在智慧礦山中的重要性

智慧礦山是指以真實礦山為主體，以空間地理坐標為參考系、以空間數據云平臺為基礎和以5G網絡為技術支撐，運用3S技術、物聯網技術、VR技術等對礦山基礎地理空間數據等信息進行自動采集、整理、存儲、分析、運用，實現礦山的基礎智能網聯、5G通訊、全局調度和無人化管理的技術系統。它是對整個礦山海量基礎地理信息數據的真實再現，旨在實現礦山的可視化、網格化、智能化。在海量的空間地理信息數據基礎上，充分利用空間分析、數據挖掘、虛擬現實技術，為礦產資源的評估、規劃、設計、開采、和決策管理實現最新、最快、個性化的智能裝配平臺和接口。

三維建模是實現智慧礦山建設的基礎與核心。智慧礦山的真正價值來自于構建在三維模型上的采區管理、運輸、通風、設備管理、供電、人員管理等各種應用系統。但這些應用系統在很大程度上依賴于礦區的三維模型，沒有三維建模技術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性和實踐性較強的概念，涉及眾多技術領域，如地質、巷道、硐室、管網、設備、地形、地面建筑等。就技術優勢而言，精細、準確的三維建模使計算機中的礦山模型從地上到地下和真實場景一模一樣，能真正的用于指導設計、開采、分析、決策。智慧礦山三維建模的數據來源多種多樣，不同階段的數據來源也各有差異。主要是以地理空間數據、鉆孔數據、剖面數據、各礦層底板等高線數據來進行三維建模，如圖2所示。

圖2 礦山三維建模數據類型

三維模型基于計算機屏幕的可視化展示在一定程度上改變了過去數據分散、格式不統一、數據利用率低、不直觀等問題。但三維模型數據還是存在諸多弊端，在很大程度上制約了礦山立體、真實數據的展現。隨著應用的深入，三維數據的真實再現顯得越來越重要。相比之下，3D打印技術的日益發展成熟，對僅僅支持可視化的三維模型表達帶來了更真實、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地理空間實體，真實再現實體三維景觀。將收集的數字化和可視化信息以實體的形式進行表達，如礦山整體模型、礦區鉆孔分布模型和礦區剖面模型等，使用戶通過3D打印后的產品對礦山實體有一個直觀的理解。

4 3D打印技術在智慧礦山中的應用

4.1 數據準備

卡瓦鐵礦位于甘肅省肅南裕固族自治縣內，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造結合部。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 礦山三維模型生產流程

收集整理現勢力較好的包含整個礦區范圍的分辨率為0.5m的高分辨率WorldView-2衛星遙感影像和精度為12.5m的卡瓦礦區數字高程模型。0.5m分辨率的遙感影像在表達礦區地物細節特征和紋理特征方面尤為重要，這些優勢可以為后期礦帶、露頭注記給予幫助；高分辨率的衛星影像匹配高精度的數字高程模型，為礦區三維立體模型的生產提供高質量的數據源。礦區海拔高，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據進行影像配準、影像校正、鑲嵌、裁切、勻光和勻色。最終得到滿足要求的任務區正射影像數據（DOM）。根據得到的DOM數據，裁切完成最終的DEM數據。對于收集的點、線、面矢量數據進行分析、整理，在場景模型完成后根據用戶需求定制建模、生產打印個性化產品。

4.2 三維建模

以SkyLine為軟件平臺，構建MPT數據、發布卡瓦鐵礦1000km2范圍內的三維場景模型。以收集、整理后的點、線、面矢量數據為基礎，按照需求創建部分個性化三維模型，如鉆孔分布、剖面等模型數據。

模型創建過程中，模型的質量檢查對整個過程起著至關重要的作用。打開已經創建的MPT文件，檢查數據是否滿足要求，具體的檢查內容包括：數據是否有漏洞和缺失；是否存在高程異常，如凸起、斷層等；接邊處是否存在高差現象。

在完成場景模型的搭建后，根據需求對單體的模型進行粗模、精模、修整、渲染、導出、整飾和集成，最終完成所有模型的創建。

4.3 3D打印

3D打印主要包括計算機三維軟件識別。

模型數據、三維模型轉二維平面模型（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，讀取已經完成三維模型數據，檢查數據的正確性，然后將特定格式的模型切片文件傳送給3D打印機，同時裝入3D打印材料、調試打印平臺、設定打印參數、最后打印機開始工作，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行粘合，并按照橫截面將圖案固定住，最終經過分層打印、層層粘合、逐層堆砌，完整的礦山三維場景模型就完成了。

3D打印機工作完成后，取出模型實體，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、剖面懸空結構，需要相應的支撐結構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行著色。

5 小結

隨著3D打印技術和大數據云平臺技術的廣泛應用，對采礦業而言在數字化信息技術蓬勃發展的浪潮中機遇與挑戰并存，智慧礦山已成為采礦業大力發展的重要技術手段。大數據、互聯網+等新興技術的快速發展，為智慧礦山提供了強大的支持保障，使得智慧礦山在礦產資源規劃、開發、生產和管理等方面發揮的作用越來越顯著[9-10]。智慧礦山三維建模與3D打印技術的結合在提高模型生產效率的同時也提高了原型的復制性。該模型充分體現了3D打印技術在數字礦山三維模型應用中的優勢，因其快速，高效，集成等優點，為后期地質找礦、礦山管理大規模應用示范創造有利條件，也必將成為未來地質測繪行業重要操作手段之一[11]。