3D打印技術在測繪領域中的應用

◇山東理工大學建筑工程學院 徐 工 蘇曉慶

本文通過對3D打印技術進行簡要描述，在測繪領域尋找良好的切入點，研究3D打印技術在測繪領域的實際應用。以立體地圖制作、房屋模型制作、地形沙盤及教學應用等方面為例，分析3D打印技術在測繪相關領域的實際應用價值，擴大3D打印技術在測繪領域的應用深度。

1 引言

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

2 3D打印技術

3D打印技術在本世紀屬于世界高科技范疇，主要采用分層打印來實現精準的制造實體模型，3D打印技術集成了正反向造型、三維模型數字化、實體分層制造等高新技術于一體的綜合性技術，能自動、高效、準確地轉化三維模型的設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模或者是通過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據建立成模型，容易出現STL數據精度不夠，所形成的計算機模型只能實現一階近似，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數據帶來的誤差，但不能完全消除。

3 3D打印在測繪領域中的應用

3.1 立體地圖制作

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

立體地圖同樣為各種機構提供了實際的模擬環境模型，通過立體地圖顯示，實現對現場情況的模擬，為方案的迅速決策提供技術支持，以此來實現科學高效的計劃。在各類救援行動中，當地理環境遭到不可預知的破壞時，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展的重要瓶頸。在不可預知的陌生環境中，利用以往的方式去獲取信息往往是不可能的。現在，利用數字信息化的資源，3D打印技術可以快速地將實時的三維數字模型快速地轉化成直觀的3D可觀產品，快速集成和采集各種信息，為相關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用同樣廣泛[4]，如圖1所示。首先在房屋設計階段，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地形地貌特征，能夠藝術地展現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、規劃、展覽等部門得到廣泛應用[5]。盡管電子地圖的應用越來越多，但實體沙盤的永久性、藝術性、直觀的三維性和真實性是電子地圖無法超越的。一個設計精良的三維實體沙盤模型不僅是一件珍貴的藝術品，更是一種觀賞性的展示，更是一種有價值的應用。在現實生活中，沙盤通常用于展覽和教學，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。在模型的設計中，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、全面地展現該區域的地形地貌特征，而且可以準確地保證定位的準確性，同時也體現了技術的創新功能。

3.4 教學應用

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

傳統的測量教育主要依靠教師講解和PPT的結合，但在測量教學任務中，相當一部分知識點是測量儀器的結構，這種方式很難清楚地描述復雜的測量儀器。此外，一些學生的空間想象力較弱，無法達到比較好的課堂效果。一方面，由于班上學生人數眾多，無法讓所有學生都仔細觀察，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，結構復雜，價格昂貴，離不開教師的眼睛。如果每個學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打印技術實現，可以替代測量儀器實物來講解測量儀器的結構，可用于測量原理和儀器使用教學。三維打印測量儀器模型能較為準確表達各種測量儀器結構，方便教師教學。三維打印工具模型簡單高效，具有價格高、成本低、堅固等優點。教師可以使用筆對儀器各個結構進行標識，以幫助學生更好地理解儀器的結構。這種模式可以提高教學效率。

4 結束語

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