【详解】3D打印技术及其在地学信息领域应用进展

3D打印技术近年来得到普遍关注。目前，3D打印技术在各领域的应用已取得明显进展，但是3D打印技术还没有得到全面应用。就地学信息领域而言，仅在个别部门得到初步应用。  

3D打印技术在地学信息领域的应用
（一）基于地理信息数据制作各种三维实体模型  
3D打印技术能够准确地区分土地、水体、建筑物和其它地形特征，特别是复制一个复杂的等比例自然地形结构或城市构造，使3D打印技术在地学信息技术领域的应用深度逐渐增加。对于大面积的地理结构图，可将地理模型分段处理，逐块打印，最终拼接到一起。应用3D打印技术可以将地理信息数据打印成多种实体模型：

1.地质模型：辅助工程人员了解不同地层在水平和垂直方向上的属性特征、矿体特性、地下水概况和各深度的蓄水层构造。
2.地形地貌模型：提高了商谈复杂解决方案的效率。  
3.地理信息系统模型：迅速、高质量地呈现乡村、城市、地形地图。
4.房地产3D沙盘模型：不仅外观精细准确，内部结构也符合标准比例尺。

（二）应用3D打印技术呈现GIS图层的技术难点
通过3D打印技术呈现GIS数据的技术仍处于起步阶段，存在一定的技术难题，主要包括：
  
1.需要将大量不同种类的地理空间数据格式转换成STL文件格式。
2.减少在DEM数据转换为STL文件格式过程中的数据丢失。STL格式文件是目前3D打印机识别的几种文件格式之一。研究人员正在通过使用各种软件和方法分几个阶段获取3D STL格式的数据。已经成功的一种是将DEM ASCII XYZ直接转换成3D STL 数据。  
3.3D打印技术本质上并不是一个廉价的技术手段，因此在制作实体三维物理模型时，一定要估算打印材料的使用量。  
4.3D打印技术可以制作高精度、高分辨率的实体模型，但同时也可能丢失一部分细节特征。模型打印过程中，材质层堆叠的宽度将决定打印的分辨率，以及模型壁的最小厚度极限值。
5.用户需要提前准备好3D数字模型用于3D打印数据输入。  
6.原始GIS数据被打印成3D模型后，数据的属性被整合压缩。但是有时研究人员需要研究数据的个别属性，需要重新返回平面地图--参考初始平面形态。  

（三）3D打印技术与虚拟三维城市模型(CityGML) 的联系  

空间数据的可视化进程经历了一系列发展阶段。起初，仅能应用2D纸质地图以固定比例的非交互式的静态模式，对现实事物进行二维展示。随着信息技术的问世，这些2D地图可以被扫描至计算机，生成可根据需求进行适度缩放的非交互式数字2D图像，而虚拟世界的比例尺寸概念成为当时的技术挑战。随着地理空间信息技术的提出，附加相应非空间属性的交互式2D数据得以生成。GIS技术的进一步发展，成功创建了交互式3D数据和附加相应属性的虚拟模型。紧接着，三维建模功能迎来了一系列快速的进步和技术革新，在此基础上提出了3D模拟漫游概念，并应用相关软件生成动态视频。随后，随着硬件的进步，3D打印机的问世很大程度上缩短了三维实体物理模型的生成时间，使之前不可能实现的目标对象制作过程变得简单易行。  

CityGML是一种用于虚拟三维城市模型数据交换与存储的格式,是开放地理空间信息联盟OGC认可的标准。与其它3D矢量格式相比，CityGML是表达现实世界的通用拓扑模型。对于特定的领域，CityGML也可以在保存语义互操作性的前提下提供拓展机制来丰富具有识别功能的数据。目标应用领域明确包括了城市和景观规划、建筑设计、旅游和休闲活动、三维地籍图，可采用5个连续的分辨率等级（LOD0-LOD4），打印精度从≤0.2 m至≤5 m不等。现阶段许多城市都根据CityGML建立了3D城市模型，如德国的柏林市和荷兰的阿珀尔多伦市。  

3D打印技术在地学空间信息领域应用的发展趋势  
当前，3D打印技术在地学空间信息领域的应用主要朝着三个新方向发展：

1. 3D打印技术生成的房地产3D沙盘模型，不仅外观细节精确，分辨率较高，内部结构也符合标准比例尺，从而极大地提升规划和设计的参考价值。随着国内有关3D打印产业政策的舆论呼声日渐高涨，房地产领域在应用3D打印技术向消费者和规划设计人员进行展示的标准化问题会获得新进展，国家科技部的相关负责人已经表示，将会制定有关的3D打印行业规范及相关政策。  

2.3D地质沙盘也有助于对建筑地基、地下空间构造、隧道等地质数据集成的理解。应用3D打印技术可快速生成三维地质矿产模型，帮助地质和矿山开发人员了解地质矿体情况。3D打印技术在一些技术较发达的国家的地学研究领域已有实践，在地下矿床油气田结构可视化、地质研究、野外环境分析、矿产资源能源开采以及军事指挥中，均有了许多成熟的应用。  

3.地理空间信息科学研究需要更高三维精细度的3D模型。目前，全球最为流行的专业3D打印机是Zprinter系列产品，这种型号的打印机可以很好地兼容地理空间信息模型的输出，并支持全彩打印，从而将地质结构的三维实体特性清晰细致地展现出来，其效率很高。世界著名商业建筑设计公司Jerde 在波兰华沙“Zlote Tarasy”项目的波状玻璃屋顶设计以及加利福尼亚州“Morongo 娱乐场耀眼天蓬”设计时，其效率呈“指数式”提升。麻省理工学院也将Z Corp.3D打印机应用于教学和科研中。不仅提升了学生教育体验的效益，同时也完善了建筑设计等相关专业的尖端课程，增强了与世界顶级研究机构及重点实验室的紧密联系。国内的一些测绘装备类企业，也积极在为国内的3D打印技术提供着硬件、软件技术和精准测绘数据上的支持，可以清晰地打印出高标准的模型。  

3D打印技术被视为地学信息技术领域最大众化的发展方向。英国Terrainator.com地图平台是一家打印3D地图工艺产品的网站。用户可以在网站提供的地图中，按照一定的比例尺圈定区域，提交给地图平台，系统会自动生成三维地形结构图。网站会根据该区域的版图面积、地形复杂程度和一些定制化的要求为用户打印出三维地形模型。目前，该地图平台仅支持美国大部分地区、加拿大西部、英国及欧洲少数国家的部分地区。除此之外，美国网站Landprint.com则是一个明码标价出售3D地理模型和地形模型的公司，主要出售夏威夷群岛、世界著名山峰、著名国家公园和月球陨石坑四个类型的3D模型，比如圣海伦斯火山的3D地形模型可卖到195美元的高价。同样，该公司也提供3D地形定制化服务，满足客户的特殊需求。  3D打印技术在地学信息领域应用日趋广泛，并且技术上已经日臻完善，必将在地质调查三维模拟和地质勘查三维模型成果输出方面发挥重要作用。

编辑：南极熊
作 者：缪谨励、刘文斐    （中国地质调查局发展研究中心国土资源部地质信息技术重点实验室）

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