【詳解】3D打印技術(shù)及其在地學信息領(lǐng)域應用進展

3D打印技術(shù)近年來得到普遍關(guān)注。目前，3D打印技術(shù)在各領(lǐng)域的應用已取得明顯進展，但是3D打印技術(shù)還沒有得到全面應用。就地學信息領(lǐng)域而言，僅在個別部門得到初步應用。  

3D打印技術(shù)在地學信息領(lǐng)域的應用
（一）基于地理信息數(shù)據(jù)制作各種三維實體模型  
3D打印技術(shù)能夠準確地區(qū)分土地、水體、建筑物和其它地形特征，特別是復制一個復雜的等比例自然地形結(jié)構(gòu)或城市構(gòu)造，使3D打印技術(shù)在地學信息技術(shù)領(lǐng)域的應用深度逐漸增加。對于大面積的地理結(jié)構(gòu)圖，可將地理模型分段處理，逐塊打印，最終拼接到一起。應用3D打印技術(shù)可以將地理信息數(shù)據(jù)打印成多種實體模型：

1.地質(zhì)模型：輔助工程人員了解不同地層在水平和垂直方向上的屬性特征、礦體特性、地下水概況和各深度的蓄水層構(gòu)造。
2.地形地貌模型：提高了商談復雜解決方案的效率。  
3.地理信息系統(tǒng)模型：迅速、高質(zhì)量地呈現(xiàn)鄉(xiāng)村、城市、地形地圖。
4.房地產(chǎn)3D沙盤模型：不僅外觀精細準確，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也符合標準比例尺。

（二）應用3D打印技術(shù)呈現(xiàn)GIS圖層的技術(shù)難點
通過3D打印技術(shù)呈現(xiàn)GIS數(shù)據(jù)的技術(shù)仍處于起步階段，存在一定的技術(shù)難題，主要包括：
  
1.需要將大量不同種類的地理空間數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成STL文件格式。
2.減少在DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為STL文件格式過程中的數(shù)據(jù)丟失。STL格式文件是目前3D打印機識別的幾種文件格式之一。研究人員正在通過使用各種軟件和方法分幾個階段獲取3D STL格式的數(shù)據(jù)。已經(jīng)成功的一種是將DEM ASCII XYZ直接轉(zhuǎn)換成3D STL 數(shù)據(jù)。  
3.3D打印技術(shù)本質(zhì)上并不是一個廉價的技術(shù)手段，因此在制作實體三維物理模型時，一定要估算打印材料的使用量。  
4.3D打印技術(shù)可以制作高精度、高分辨率的實體模型，但同時也可能丟失一部分細節(jié)特征。模型打印過程中，材質(zhì)層堆疊的寬度將決定打印的分辨率，以及模型壁的最小厚度極限值。
5.用戶需要提前準備好3D數(shù)字模型用于3D打印數(shù)據(jù)輸入。  
6.原始GIS數(shù)據(jù)被打印成3D模型后，數(shù)據(jù)的屬性被整合壓縮。但是有時研究人員需要研究數(shù)據(jù)的個別屬性，需要重新返回平面地圖--參考初始平面形態(tài)。  

（三）3D打印技術(shù)與虛擬三維城市模型(CityGML) 的聯(lián)系  

空間數(shù)據(jù)的可視化進程經(jīng)歷了一系列發(fā)展階段。起初，僅能應用2D紙質(zhì)地圖以固定比例的非交互式的靜態(tài)模式，對現(xiàn)實事物進行二維展示。隨著信息技術(shù)的問世，這些2D地圖可以被掃描至計算機，生成可根據(jù)需求進行適度縮放的非交互式數(shù)字2D圖像，而虛擬世界的比例尺寸概念成為當時的技術(shù)挑戰(zhàn)。隨著地理空間信息技術(shù)的提出，附加相應非空間屬性的交互式2D數(shù)據(jù)得以生成。GIS技術(shù)的進一步發(fā)展，成功創(chuàng)建了交互式3D數(shù)據(jù)和附加相應屬性的虛擬模型。緊接著，三維建模功能迎來了一系列快速的進步和技術(shù)革新，在此基礎(chǔ)上提出了3D模擬漫游概念，并應用相關(guān)軟件生成動態(tài)視頻。隨后，隨著硬件的進步，3D打印機的問世很大程度上縮短了三維實體物理模型的生成時間，使之前不可能實現(xiàn)的目標對象制作過程變得簡單易行。  

CityGML是一種用于虛擬三維城市模型數(shù)據(jù)交換與存儲的格式,是開放地理空間信息聯(lián)盟OGC認可的標準。與其它3D矢量格式相比，CityGML是表達現(xiàn)實世界的通用拓撲模型。對于特定的領(lǐng)域，CityGML也可以在保存語義互操作性的前提下提供拓展機制來豐富具有識別功能的數(shù)據(jù)。目標應用領(lǐng)域明確包括了城市和景觀規(guī)劃、建筑設(shè)計、旅游和休閑活動、三維地籍圖，可采用5個連續(xù)的分辨率等級（LOD0-LOD4），打印精度從≤0.2 m至≤5 m不等。現(xiàn)階段許多城市都根據(jù)CityGML建立了3D城市模型，如德國的柏林市和荷蘭的阿珀爾多倫市。  

3D打印技術(shù)在地學空間信息領(lǐng)域應用的發(fā)展趨勢  
當前，3D打印技術(shù)在地學空間信息領(lǐng)域的應用主要朝著三個新方向發(fā)展：

1. 3D打印技術(shù)生成的房地產(chǎn)3D沙盤模型，不僅外觀細節(jié)精確，分辨率較高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也符合標準比例尺，從而極大地提升規(guī)劃和設(shè)計的參考價值。隨著國內(nèi)有關(guān)3D打印產(chǎn)業(yè)政策的輿論呼聲日漸高漲，房地產(chǎn)領(lǐng)域在應用3D打印技術(shù)向消費者和規(guī)劃設(shè)計人員進行展示的標準化問題會獲得新進展，國家科技部的相關(guān)負責人已經(jīng)表示，將會制定有關(guān)的3D打印行業(yè)規(guī)范及相關(guān)政策。  

2.3D地質(zhì)沙盤也有助于對建筑地基、地下空間構(gòu)造、隧道等地質(zhì)數(shù)據(jù)集成的理解。應用3D打印技術(shù)可快速生成三維地質(zhì)礦產(chǎn)模型，幫助地質(zhì)和礦山開發(fā)人員了解地質(zhì)礦體情況。3D打印技術(shù)在一些技術(shù)較發(fā)達的國家的地學研究領(lǐng)域已有實踐，在地下礦床油氣田結(jié)構(gòu)可視化、地質(zhì)研究、野外環(huán)境分析、礦產(chǎn)資源能源開采以及軍事指揮中，均有了許多成熟的應用。  

3.地理空間信息科學研究需要更高三維精細度的3D模型。目前，全球最為流行的專業(yè)3D打印機是Zprinter系列產(chǎn)品，這種型號的打印機可以很好地兼容地理空間信息模型的輸出，并支持全彩打印，從而將地質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維實體特性清晰細致地展現(xiàn)出來，其效率很高。世界著名商業(yè)建筑設(shè)計公司Jerde 在波蘭華沙“Zlote Tarasy”項目的波狀玻璃屋頂設(shè)計以及加利福尼亞州“Morongo 娛樂場耀眼天蓬”設(shè)計時，其效率呈“指數(shù)式”提升。麻省理工學院也將Z Corp.3D打印機應用于教學和科研中。不僅提升了學生教育體驗的效益，同時也完善了建筑設(shè)計等相關(guān)專業(yè)的尖端課程，增強了與世界頂級研究機構(gòu)及重點實驗室的緊密聯(lián)系。國內(nèi)的一些測繪裝備類企業(yè)，也積極在為國內(nèi)的3D打印技術(shù)提供著硬件、軟件技術(shù)和精準測繪數(shù)據(jù)上的支持，可以清晰地打印出高標準的模型。  

3D打印技術(shù)被視為地學信息技術(shù)領(lǐng)域最大眾化的發(fā)展方向。英國Terrainator.com地圖平臺是一家打印3D地圖工藝產(chǎn)品的網(wǎng)站。用戶可以在網(wǎng)站提供的地圖中，按照一定的比例尺圈定區(qū)域，提交給地圖平臺，系統(tǒng)會自動生成三維地形結(jié)構(gòu)圖。網(wǎng)站會根據(jù)該區(qū)域的版圖面積、地形復雜程度和一些定制化的要求為用戶打印出三維地形模型。目前，該地圖平臺僅支持美國大部分地區(qū)、加拿大西部、英國及歐洲少數(shù)國家的部分地區(qū)。除此之外，美國網(wǎng)站Landprint.com則是一個明碼標價出售3D地理模型和地形模型的公司，主要出售夏威夷群島、世界著名山峰、著名國家公園和月球隕石坑四個類型的3D模型，比如圣海倫斯火山的3D地形模型可賣到195美元的高價。同樣，該公司也提供3D地形定制化服務，滿足客戶的特殊需求。  3D打印技術(shù)在地學信息領(lǐng)域應用日趨廣泛，并且技術(shù)上已經(jīng)日臻完善，必將在地質(zhì)調(diào)查三維模擬和地質(zhì)勘查三維模型成果輸出方面發(fā)揮重要作用。

編輯：南極熊
作 者：繆謹勵、劉文斐    （中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心國土資源部地質(zhì)信息技術(shù)重點實驗室）

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