3D地图打印技术研究

王宝成，李晓亮，邢 辉

(河北省制图院，河北 石家庄 050031)

3D地图打印技术研究

王宝成，李晓亮，邢 辉

(河北省制图院，河北 石家庄 050031)

2015年9月美国3D打印机在河北省制图院落户。笔者结合其配套打印软件，组织技术人员反复实践，研发出一套符合我国实际的3D地图生产工艺流程，成功解决了基础地理信息国标数据格式向3D格式数据转换、3D地形模型编辑、3D符号设计等一系列难题。该技术融合了3ds Max、ArcGIS、Global Mapper等多种软件制图技术，具备实用性强、可操作性强、推广价值较高等优点。产品涵盖晕渲地图、正射影像地图、专题地图、物理沙盘等品种。3D打印地图具备以下特点：色彩鲜艳、地形直观逼真；色彩设计自由，富于变化；精度高；可接收多源数据；生产效率高。

3D打印；3D地图；数字地形模型；数字晕渲地图；3ds Max；ArcGIS；Global Mapper；创新

目前，3D打印属世界高新技术范畴，已在各种领域高端技术中得到实际应用。其原本为“快速原型制造”之意，是20世纪末源自美国的一项高新制造技术，它是在CAD(CAM)技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术及新材料技术的基础上发展起来的速成三维实体模型技术，主要优点是能够快速精密地制造出复杂形状样品或模型。3D技术已在世界范围内的生物医学、航天航空、装备制造、建筑设计装修等领域得到应用。在欧洲已有应用生物3D打印机成功打印人体器官的先例。2016年3月美国成功将3D打印机送至太空空间站，为太空站维护提供即时打印部件服务。同月，俄罗斯也成功将外壳由3D打印技术制成的卫星发射太空。在我国的军事、机械制造、电子制造等领域也有相关应用报道，但在地理信息测绘领域的应用鲜有报道。

2015年9月美国3D打印机在河北省地理信息局落户，由其直属单位河北省制图院使用。经过近半年的应用研究，逐步形成了较为成熟的3D地图打印技术。

1 3D地图打印技术现状及工艺流程

1.1 3D地图打印技术现状

笔者充分利用美国3D打印机及配套打印驱动软件，多方搜寻有关资料，经过反复研究探索实践，成功融合3ds Max、ArcGIS、Global Mapper等多种软件制图技术，研发出一套3D地图生产工艺流程。该流程与测绘生产实际结合紧密，主要解决了基础地理信息国标数据格式向3D格式数据转换等一系列难题，具备实用性强、可操作性强、产品直观性强的特点，推广价值较高。其工艺技术研究包括数据整理、3D地形模型编辑、数字地图(晕渲)编辑、3D注记符号设计、3D打印输出等内容。3D地图产品涵盖晕渲地图、正射影像地图、专题地图、物理沙盘等品种。不仅能够生产各种基本比例尺3D地形图，还能够根据顾客需求生产不同尺寸不同比例尺的3D专题地图。

1.2 工艺流程概况

为便于读者了解探讨该工艺，利于深入研究，笔者根据实践，总结其工艺流程,如图1所示。

图1 3D地图打印技术流程

从图1可以看出，3D地图打印技术的核心环节为：地图的3D设计和3D打印。其中地图设计环节决定了3D地图产品表示的主题内容及表现形式、外观视觉色彩效果及其他物理性状的数字参数。而3D打印技术能帮助设计者成功实现3D地图产品从数字产品到物理产品的输出。

2 3D地图设计

2.1 数据资料整理

3D地图顾名思义为立体地图，故需要的最基本数据为地形数据。地形数据按照地图基本比例尺划分为11种基础数据。如果按照数据格式划分会更多，但最常用且通用性较好的数据格式主要有DXF和Shapefile两种。数据整理包括统一空间参考系、统一数据格式、检查数据完整性、评价数据符合性及确定数据地理范围等工作。

在3D设计中常用一个概念，即贴图。而这里的贴图即地图。故需事先编制所需地图并输出栅格图片。编制地图所需的专业资料及其整理为业内人士所熟悉，这里不再赘述。

2.2 3D地形模型编辑

2.2.1 数据裁剪

根据项目需要或顾客需求，在ArcGIS里将项目范围外多余地形数据和专题数据剪切删除，并检查所需保留数据的完整性和属性内容的准确性。注意在裁剪数据时容易发生数据丢失和遗漏现象，需要制定严格的操作程序。

2.2.2 地形模型编辑

根据设计需求将裁切好的数据，首先进行细化分层以备输出利用。地形模型编辑主要需要地形数据。因此要将该项目所需地形数据通过ArcGIS的数据转换功能转换为ASCII格式数据或直接另存为一个地形Shape文件，再将该文件导入Global Mapper中。导入后主要用来做两项工作：一是将线状或点阵格式的地形数据生成地形模型数据；二是在此环境下用来编辑处理数字晕渲地图，该工艺在下面章节中再详细介绍。

在Global Mapper环境下将导入的项目地形数据生成3D地形数据并导出为GRD格式的3D数据；再将该数据转换为STL格式的模型数据并导入3ds Max中编辑处理地形模型。数据导入3ds Max后需要做以下工作：

(1) 缩小模型尺寸。由于导入的地形模型数据均为实地坐标数据，需要根据设计的3D地形模型比例尺计算出缩小参数或3D地图模型尺寸。按照这个参数要求缩小原地形模型到3D打印输出尺寸的地形模型(标准分幅尺寸或任意分幅尺寸)。

(2) 编辑地形模型。导入3ds Max中的地形数据由于经过了若干工艺处理，可能存在缺陷。即使过程中没有意外因素干扰，也由于测绘数据仅仅是用来生产平面图或数据建库而生产的数据，其本身就存在不能满足地形建模的缺陷。因此该流程的工作主要是依据原地形数据资料逻辑修补模型，使之生成正确的符合野外实地环境的地形模型数据。这是3D地图生产的一个关键环节。

2.3 数字晕渲地图

本环节主要有两个子环节：一是生成彩色数字晕渲地表效果；二是结合专题地图生产技术编制相应专题地图。

利用前者导入的地形模型数据在Global Mapper环境下生成彩色数字晕渲地表图。在生成过程中，要注意细化设置根据高程数值分级设色的参数，否则生成的色彩分级粗糙，色彩变化衔接不自然。要想得到理想的效果图，往往需要多次的实践和比对试验才能满足要求。

利用前者导入的专题地图数据，在Global Mapper环境下利用其图形管理功能生成彩色专题地图，可以实现道路、水系、居民地、境界、行政区域等要素信息的点状符号、线状符号、面状色彩及其注记的参数管理，进而编制一幅漂亮的地图。当然也可在其他环境下编辑符合设计要求的地图栅格图片导入利用。

将上述数据叠加显示，即可展现出一幅靓丽的数字晕渲立体地图。将生成的地图按照3D打印参数要求导出为栅格格式，以备后期利用。

2.4 地形模型与数字晕渲地图的贴合及编辑处理

将上述过程得到的地形模型数据和数字晕渲地图数据均导入3ds Max中贴合并编辑处理。

在3ds Max软件中的工作，主要是处理地形模型与贴图(数字晕渲图)的套合度和贴合度。要求贴合紧密，而且地貌对应关系正确。再者就是将项目范围内注记、符号、面积色等需要突出或立体化设计的，均要按照设计要求立体化，并调整其位置、大小。其关系处理方式与常规地图编辑工作近似。特别需要注意的是当地图比例尺较小时，注记、符号等在图面上相应的占位要大些，需要处理好二者之间的相互关系，才能清晰明确地表示主题。

3 3D打印

3.1 数据检查及打印准备

前面工作完成后，利用3DEdit Pro软件打开地形模型检查其是否有破面、重复面及重复线等问题。发现问题必须使用软件的修复功能进行自动修复编辑，整理完成之后保存。如不能自动修复编辑模型数据，则需重新导入3ds Max中再次仔细查找问题并修补模型数据，完成后再用3DEdit Pro检查处理。如在检查破面修复过程中贴图消失，则要把修复好的地形模型重新导入3ds Max中再次贴图并调整。

只有在模型数据通过软件的上述检查后，才可准备打印。甚至需要打印3D地图小样进行设计验证，确认后方可正式打印。

用打印机软件3DPrint打开模型数据。查看打印所用时间，检查材料和墨水的用量，如缺失或不足，需及时更换或补齐。还需检查打印机的其他各个方面工作状态是否正常，一切正常后才能执行打印操作。

3.2 打 印

地形模型打印一般为实体打印，耗时较长。由于墨头寿命有限或高温灼伤，需不定时更换。更换新墨头后，又由于新墨头原色为黑色，原模型不能再继续打印。更换墨头后要经自行校正和清洗才可打印模型，因此墨头、墨水和专用打印粉消耗较多。

3.3 整理和固化

打印完成后需经过清理和固化两个处理过程，才能完成打印的全部操作步骤。

3D模型清理工作需要特别仔细。模型上地貌、注记和符号等内容均很精细，很容易遭到破坏。

清理后要经过固化才可使用。固化剂是一种专用液态胶水，容易黏d附衣物和身体，且易挥发有气味，需要注意安全，工作时要穿戴防护衣物。

固化剂使用后如暴露在开放环境很快就自然凝固，因此剩余部分要倒回瓶内密封再次使用。

3D地图固化后经2个多小时即可使用。

3.4 整 饰

为了更好地体现和提高其使用价值，需要进行精美整饰。为其量身定做一个精美的图框或底座，至此一幅精美的3D地图打印完成。

4 产品及工艺流程特点

3D地图打印工艺具备以下特点：①色彩鲜艳，设计自由，富于变化；②地形非常直观、逼真、清晰易读；③精度高，数字模型打印精度为0.075 mm；④可接收多源数据(除常规测量数据外，还包括LiDAR等点云数据)；⑤生产效率高，一键打印成型，较以往传统立体地图(沙盘)的生产，周期缩短很多。

5 结 语

当今时代是创新时代。创新生产方式、拓展服务和延伸服务是提高新型测绘地理信息保障能力的前提。随着社会的进步，3D地图生产技术将会越来越成熟，产品会更科学、更完美，使地图家族更丰富更新颖。尤其是在现代保障服务观念的支撑下，是各级领导科学决策、规划布局、直观展示的首选地图产品，同时为创建美丽和谐的社会环境提供了一个有力支撑点。

[1] 3D Systems.X60pro Series User Guide [EB/OL].[2016-04-25].http:∥www.3dsystems.com.

[2] 吴军.三维城市建模中的建筑物墙面纹理快速重建研究[D].武汉:武汉大学,2003.

[3] 王家耀,孙群,王光霞,等.地图学原理与方法[M].北京:科学出版社,2006.

[4] 沈敬伟,温永宁,陈旻,等.面向三维的注记自动配置研究[J].测绘通报,2008(1):36-39.

[5] 张帆,黄先锋,李德仁.激光扫描与光学影像数据配准研究进展[J].测绘通报,2008(2):7-10.

[6] 黄先锋 机载 LiDAR 点云数据的建筑物重建研究[D].武汉:武汉大学,2003.

[7] 林卉,赵长胜,孙建文.数字校园3维建模与仿真的实现与设计[J].测绘通报,2004(9):43-46.

[8] 刘文杰,陶本藻.实用测量数据处理方法[M].北京:测绘出版社,2000:79-81.

[9] 朱效民,赵红超,刘焱,等.矢量地图叠加分析算法研究[J].中国图象图形学报,2010,15(11):1696-1706.

[10] 姜秋冬,程雄,王维莉,等.基于GIS平台的系列专题地图数据组织方法[J].测绘信息与工程,2010,35(6):44-48.

Research of 3D Map Printing Technology

WANG Baocheng,LI Xiaoliang,XING Hui

(Hebei Provincial Institute of Cartography, Shijiazhuang 050031, China)

The 3D printer made in America was introduced to Hebei Provincial Institute of Cartography in September, 2015. By utilizing its assorted printing software and engaging the technical staff in repeated practice,a set of technological process of production in accord with the reality of China were developed. It succeeds in resolving the series of tough problems, such as transforming the model of the fundamental geographic information data into that of the 3D data, the editing of the 3D elevation models and the designing of the 3D symbols. The technology integrates the cartographic techniques presented in varied software, such as 3ds Max, ArcGIS and Global Mapper, characterized by strong practicability, maneuverability and high value of popularizing. The technology covers hill shading topographic maps, digital orthophoto maps, thematic maps, sand table models and so on. The maps printed by 3D printers are characterized by bright colors making the elevation models real and direct, free color combination rich in variety, impressive accuracy, ability to receive multisource data and high productivity.

3D printing；3D maps；digital elevation models；digital hill shading topographic maps；3ds Max；ArcGIS;Global Mapper；innovation

王宝成，李晓亮，邢辉.3D地图打印技术研究[J].测绘通报，2017(4)：98-100.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0129.

2016-06-06；

2017-01-09

王宝成(1970—)，男，高级工程师，主要从事地图制图、工程测量、地理信息数据处理方面的应用及研究。E-mail：13032600242@163.com

P28

A

0494-0911(2017)04-0098-03