3D打印技术在测绘领域中的应用

◇山东理工大学建筑工程学院 徐 工 苏晓庆

本文通过对3D打印技术进行简要描述，在测绘领域寻找良好的切入点，研究3D打印技术在测绘领域的实际应用。以立体地图制作、房屋模型制作、地形沙盘及教学应用等方面为例，分析3D打印技术在测绘相关领域的实际应用价值，扩大3D打印技术在测绘领域的应用深度。

1 引言

3D打印技术改变了传统的模型制作方式，实现了从数字三维模型到实体三维模型的转变。3D打印技术与传统的依靠电子设备实现可视化的3D模型不同之处在于，3D打印技术使三维模型能快速的显示出立体感。目前，这项技术已扩展到军事、服装和教育领域，并有望为测绘领域的发展方向带来革命性的变化[1]。本文通过对三维数字模型进行优化处理从而得到精准的三维实体模型。将3D打印技术初步应用于测绘行业，在立体地图、地形可视化分析、GIS测绘沙盘、教学、文物修复等方向中发挥巨大应用。

2 3D打印技术

3D打印技术在本世纪属于世界高科技范畴，主要采用分层打印来实现精准的制造实体模型，3D打印技术集成了正反向造型、三维模型数字化、实体分层制造等高新技术于一体的综合性技术，能自动、高效、准确地转化三维模型的设计理念和思想为所需三维实体模型。

3D打印模型是由三维软件建模或者是通过三维扫描逆向工程来建立模型，这就存在多方面的误差，最主要的是造型误差，尤其是通过三维扫描逆向工程将扫描得到的数据建立成模型，容易出现STL数据精度不够，所形成的计算机模型只能实现一阶近似，和理想模型之间存在一定偏差。随着计算机软件处理水平的不断提高，今后可不断降低由STL数据带来的误差，但不能完全消除。

3 3D打印在测绘领域中的应用

3.1 立体地图制作

与传统纸质地图相比，立体地图更加的直观、生动、丰富[2]。在陌生地区的工程作业中，工作人员可能需要携带大量的资料设备，而将3D打印技术引入，与网络数据、北斗卫星等资源联合可提前获取该地区环境状况[3]。将获取的地形数据，快速地转换成立体地图，包括地形地貌、城市房屋、道路路况等，可为相关部门和团队的前期准备提供依据，并且3D打印制作的立体地图可以根据需求更换材料，从而达到质量轻、还原度高、携带方便的特点，降低了工作人员的设备负荷。立体地图在实际科学研究中具有重要意义，可以直接显示研究区地形地貌的变化，提取研究区的地形模型和地形特征，显示地物的空间关系。立体地图可以模拟研究区的地形起伏，有助于更好地了解地形的空间关系，提高空间分析能力。

立体地图同样为各种机构提供了实际的模拟环境模型，通过立体地图显示，实现对现场情况的模拟，为方案的迅速决策提供技术支持，以此来实现科学高效的计划。在各类救援行动中，当地理环境遭到不可预知的破坏时，能否准确并及时地获取到地理空间信息，已成为救援行动能否进步和发展的重要瓶颈。在不可预知的陌生环境中，利用以往的方式去获取信息往往是不可能的。现在，利用数字信息化的资源，3D打印技术可以快速地将实时的三维数字模型快速地转化成直观的3D可观产品，快速集成和采集各种信息，为相关部门的地理空间信息和各种专题信息提供全面的保障。

3.2 房屋模型制作

3D打印能够制作建筑物的模型，此模型在实际中的应用同样广泛[4]，如图1所示。首先在房屋设计阶段，可以为住户提供更加立体直观的房屋模型，使住户对房屋构造有更加清晰的认识，配合各种家具等装置的使用，使用户能够更直观地对房屋进行设计，提高装修体验。其次，消防救援中可以为消防员提供建筑内的实际概况，为救援灭火提供比较直观的建筑情况，减少危险。

图1 房屋模型

3.3 地形沙盘

三维立体沙盘能够生动地展现地形地貌特征，能够艺术地展现人们所观察到的真实世界。三维实体沙盘直观、三维真实、方便实用，因此在军事、规划、展览等部门得到广泛应用[5]。尽管电子地图的应用越来越多，但实体沙盘的永久性、艺术性、直观的三维性和真实性是电子地图无法超越的。一个设计精良的三维实体沙盘模型不仅是一件珍贵的艺术品，更是一种观赏性的展示，更是一种有价值的应用。在现实生活中，沙盘通常用于展览和教学，这就要求选用防水、耐腐蚀、防潮的材料，在使用沙盘的过程中，会涉及到运输问题，因此有必要选择固体材料制作三维固体沙盘模型。为了更好地表现沙盘的精细、多彩、美观等特点，在制作沙盘时，通常采用写实明显的方式、符号等方式来表现。在模型的设计中，不仅要把握地形地貌的准确性，还要使地表信息得到充分的表达，使每一个要素都得到生动的展示，利用遥感图像来表示模型的颜色，不仅可以准确、全面地展现该区域的地形地貌特征，而且可以准确地保证定位的准确性，同时也体现了技术的创新功能。

3.4 教学应用

在教学中3D打印可为教学提供帮助，如课上提供3D地形图模型、测绘仪器的3D模型等，为教学提供更加直观的模型。该技术可以应用于测量的理论教学中，还可应用到实践类的测绘教学，如制作三维实体测量仪器模型为学生认识仪器构造提供帮助，为实习的学生提供实习场地的地图指导，为其讲解即将测量的地形。

传统的测量教育主要依靠教师讲解和PPT的结合，但在测量教学任务中，相当一部分知识点是测量仪器的结构，这种方式很难清楚地描述复杂的测量仪器。此外，一些学生的空间想象力较弱，无法达到比较好的课堂效果。一方面，由于班上学生人数众多，无法让所有学生都仔细观察，如果老师在讲台上讲解测量仪器，教室后面的学生将无法对仪器的外观有清晰的印象。测量仪器是一种精密仪器，结构复杂，价格昂贵，离不开教师的眼睛。如果每个学生都能观察测量仪器，教师必须陪同和驾驶，这将花费很长时间，降低教学效率。仪器也可能会造成意外损坏，使用实物测量仪器进行讲解的可行性不高。

测绘仪器3D模型是由3D打印技术制造的物理模型。测量仪器的物理模型可以通过3D打印技术实现，可以替代测量仪器实物来讲解测量仪器的结构，可用于测量原理和仪器使用教学。三维打印测量仪器模型能较为准确表达各种测量仪器结构，方便教师教学。三维打印工具模型简单高效，具有价格高、成本低、坚固等优点。教师可以使用笔对仪器各个结构进行标识，以帮助学生更好地理解仪器的结构。这种模式可以提高教学效率。

4 结束语

本文对3D打印技术在立体地图制作、房屋模型制作、地形沙盘及教学应用等测绘领域的四个方面进行了应用分析，建立出各类立体模型并进行了3D打印，从理论应用到实践，为后续3D打印的研究提供了支持。3D打印技术在测绘的应用会为测绘专业技术及产品创新带来新的发展。与传统手工制作模型的工艺相比，3D打印技术可以轻松制造手工无法制作的复杂的三维模型，并保证其精度。同时，这种技术可以减少劳动力，降低制造模型的成本，缩短生产模型的时间，在建筑、应急救援、教学等方面有着广阔的应用前景。