【詳解】3D打印技術(shù)及其在地學(xué)信息領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)展

3D打印技術(shù)近年來(lái)得到普遍關(guān)注。目前，3D打印技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用已取得明顯進(jìn)展，但是3D打印技術(shù)還沒(méi)有得到全面應(yīng)用。就地學(xué)信息領(lǐng)域而言，僅在個(gè)別部門(mén)得到初步應(yīng)用。  

3D打印技術(shù)在地學(xué)信息領(lǐng)域的應(yīng)用
（一）基于地理信息數(shù)據(jù)制作各種三維實(shí)體模型  
3D打印技術(shù)能夠準(zhǔn)確地區(qū)分土地、水體、建筑物和其它地形特征，特別是復(fù)制一個(gè)復(fù)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(xué)信息技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用深度逐漸增加。對(duì)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(yīng)用3D打印技術(shù)可以將地理信息數(shù)據(jù)打印成多種實(shí)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(fù)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(pán)模型：不僅外觀精細(xì)準(zhǔn)確，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也符合標(biāo)準(zhǔn)比例尺。

（二）應(yīng)用3D打印技術(shù)呈現(xiàn)GIS圖層的技術(shù)難點(diǎn)
通過(guò)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(lèi)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(guò)程中的數(shù)據(jù)丟失。STL格式文件是目前3D打印機(jī)識(shí)別的幾種文件格式之一。研究人員正在通過(guò)使用各種軟件和方法分幾個(gè)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(gè)廉價(jià)的技術(shù)手段，因此在制作實(shí)體三維物理模型時(shí)，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(shí)體模型，但同時(shí)也可能丟失一部分細(xì)節(jié)特征。模型打印過(guò)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(hù)需要提前準(zhǔn)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(shí)研究人員需要研究數(shù)據(jù)的個(gè)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(jìn)程經(jīng)歷了一系列發(fā)展階段。起初，僅能應(yīng)用2D紙質(zhì)地圖以固定比例的非交互式的靜態(tài)模式，對(duì)現(xiàn)實(shí)事物進(jìn)行二維展示。隨著信息技術(shù)的問(wèn)世，這些2D地圖可以被掃描至計(jì)算機(jī)，生成可根據(jù)需求進(jìn)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(dāng)時(shí)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(yīng)非空間屬性的交互式2D數(shù)據(jù)得以生成。GIS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，成功創(chuàng)建了交互式3D數(shù)據(jù)和附加相應(yīng)屬性的虛擬模型。緊接著，三維建模功能迎來(lái)了一系列快速的進(jìn)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(yīng)用相關(guān)軟件生成動(dòng)態(tài)視頻。隨后，隨著硬件的進(jìn)步，3D打印機(jī)的問(wèn)世很大程度上縮短了三維實(shí)體物理模型的生成時(shí)間，使之前不可能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)對(duì)象制作過(guò)程變得簡(jiǎn)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(chǔ)的格式,是開(kāi)放地理空間信息聯(lián)盟OGC認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)。與其它3D矢量格式相比，CityGML是表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界的通用拓?fù)淠Ｐ�。�?duì)于特定的領(lǐng)域，CityGML也可以在保存語(yǔ)義互操作性的前提下提供拓展機(jī)制來(lái)豐富具有識(shí)別功能的數(shù)據(jù)。目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域明確包括了城市和景觀規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)、旅游和休閑活動(dòng)、三維地籍圖，可采用5個(gè)連續(xù)的分辨率等級(jí)（LOD0-LOD4），打印精度從≤0.2 m至≤5 m不等�，F(xiàn)階段許多城市都根據(jù)CityGML建立了3D城市模型，如德國(guó)的柏林市和荷蘭的阿珀?duì)柖鄠愂小?nbsp; 

3D打印技術(shù)在地學(xué)空間信息領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)  
當(dāng)前，3D打印技術(shù)在地學(xué)空間信息領(lǐng)域的應(yīng)用主要朝著三個(gè)新方向發(fā)展：

1. 3D打印技術(shù)生成的房地產(chǎn)3D沙盤(pán)模型，不僅外觀細(xì)節(jié)精確，分辨率較高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也符合標(biāo)準(zhǔn)比例尺，從而極大地提升規(guī)劃和設(shè)計(jì)的參考價(jià)值。隨著國(guó)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(yīng)用3D打印技術(shù)向消費(fèi)者和規(guī)劃設(shè)計(jì)人員進(jìn)行展示的標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題會(huì)獲得新進(jìn)展，國(guó)家科技部的相關(guān)負(fù)責(zé)人已經(jīng)表示，將會(huì)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(pán)也有助于對(duì)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(yīng)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(kāi)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(dá)的國(guó)家的地學(xué)研究領(lǐng)域已有實(shí)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(kāi)采以及軍事指揮中，均有了許多成熟的應(yīng)用。  

3.地理空間信息科學(xué)研究需要更高三維精細(xì)度的3D模型。目前，全球最為流行的專(zhuān)業(yè)3D打印機(jī)是Zprinter系列產(chǎn)品，這種型號(hào)的打印機(jī)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(shí)體特性清晰細(xì)致地展現(xiàn)出來(lái)，其效率很高。世界著名商業(yè)建筑設(shè)計(jì)公司Jerde 在波蘭華沙“Zlote Tarasy”項(xiàng)目的波狀玻璃屋頂設(shè)計(jì)以及加利福尼亞州“Morongo 娛樂(lè)場(chǎng)耀眼天蓬”設(shè)計(jì)時(shí)，其效率呈“指數(shù)式”提升。麻省理工學(xué)院也將Z Corp.3D打印機(jī)應(yīng)用于教學(xué)和科研中。不僅提升了學(xué)生教育體驗(yàn)的效益，同時(shí)也完善了建筑設(shè)計(jì)等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的尖端課程，增強(qiáng)了與世界頂級(jí)研究機(jī)構(gòu)及重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的緊密聯(lián)系。國(guó)內(nèi)的一些測(cè)繪裝備類(lèi)企業(yè)，也積極在為國(guó)內(nèi)的3D打印技術(shù)提供著硬件、軟件技術(shù)和精準(zhǔn)測(cè)繪數(shù)據(jù)上的支持，可以清晰地打印出高標(biāo)準(zhǔn)的模型。  

3D打印技術(shù)被視為地學(xué)信息技術(shù)領(lǐng)域最大眾化的發(fā)展方向。英國(guó)Terrainator.com地圖平臺(tái)是一家打印3D地圖工藝產(chǎn)品的網(wǎng)站。用戶(hù)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(tái)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成三維地形結(jié)構(gòu)圖。網(wǎng)站會(huì)根據(jù)該區(qū)域的版圖面積、地形復(fù)雜程度和一些定制化的要求為用戶(hù)打印出三維地形模型。目前，該地圖平臺(tái)僅支持美國(guó)大部分地區(qū)、加拿大西部、英國(guó)及歐洲少數(shù)國(guó)家的部分地區(qū)。除此之外，美國(guó)網(wǎng)站Landprint.com則是一個(gè)明碼標(biāo)價(jià)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(guó)家公園和月球隕石坑四個(gè)類(lèi)型的3D模型，比如圣海倫斯火山的3D地形模型可賣(mài)到195美元的高價(jià)。同樣，該公司也提供3D地形定制化服務(wù)，滿(mǎn)足客戶(hù)的特殊需求。  3D打印技術(shù)在地學(xué)信息領(lǐng)域應(yīng)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(jǐn)勵(lì)、劉文斐    （中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心國(guó)土資源部地質(zhì)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

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