地形图三维模型3D打印方法的研究与应用

摘要：地形图是测绘工作成果的重要组成部分，用于表示地形起伏和高程分布。对于大多数非专业测绘工作者来说，从地形图中看出各种地貌不是非常容易的事情。所以本文主要研究地形图的三维可视化，以为最低的成本将三维模型输出到实体三维模型中。

关键词：地形图；三维地形模型；三维打印；CAD；

中图分类号：P2文献标识码： A

引言

随着科技的进步，3d打印技术成本越来越低。随着测绘手段不断发展，无人机、卫星遥感，GPS技术等，地图绘制速度越来越快速。随着计算机软硬件和地理信息技术的发展，地图的表现形式从最初的平面纸质地图发展到目前的三维地图的表示。地图的更多表现形式也值得研究，本文就3D打印技术在地图表现新形式进行研究与探索，引导未来地图技术向着元化、多媒体、立体化等更多面的表现形式方向上发展。

一、三维地形图模型

三维地图是根据等高线或者野外实测数据、卫星、无人机测量数据等生成的三维地形模型。也可以使用原测绘手段测绘成果矢量化后生成三维地形模型。

三维模型据有直观形象，多视角观看的特点。是电子地图的重要组成之一。现流行的3D软件包括CAD、MAYA、3DS、ArcScene、mapgis等。

二、三维地形图模型生成过程

三维地形模型可根据已有的地形图数字化后的成果、外实测、航测、数据生成等不同的数据获取手段生成的等高线制作。

下面我们演示实测的地形图生成三维地形模型的具体步骤。

（一）生成等高线

将实测数据导入测图软件，生成三角网，生成等高线后检查软件自动建网的错误，删除等高线后修改错误的三角网部分，按要求比例尺生成等高线。

（二）三维模型生成

三维模型可以根据三角网生成，也可以根据等高线生成。

因为我们多数的成果是等高线，所以我们重点研究由等高线生成三维模型。

我们使用2款主流的软件生成，CAD，ARCGIS。

选择两条等高线即可生成一个等高线之间的面组成的山形实体

最后将所有编辑完成的实体组合为一个实体，将这个实体导出为STL文件格式。

ARCGIS

在ARCGIS中创建三维模型，要先将等高线输入导成SHP格式，使用3D ANALYST TOOLS（3D分析工具）-TIN管理-创建TIN，选择SHP格式的等高线文件，ARCGIS自动将等高线还原成为三角网，这个三角形和在制图软件中的三角形有一定的差距，测图时的三角形是特征点生成的三角形，ARCGIS中的三角形时根据等高线线上的点生成的，所以一些细节地区要进行修改。

ARCGIS等高线生成的三维模型如下

总结两种软件成图效果，ARCGIS成图速度快，但是误差较大，CAD成图精度高于ARCGIS，且现在多数地形软件都挂接与CAD（例如南方CASS），现有的数据转换为三维模型数据直接，而且CAD的建模效果比较好，我们可以直接将CAD的模型导出为各种格式供我们3D打印中使用。

三、三维模型实体化

随着3D打印技术的发展和进步，3D打印机的价格越来越低。这样我们用3D打印机实现低成本的三维地形模型可视化成为现实。

STL文件特点简介：

STL文件格式简单，只描述三维物体几何信息，不支持颜色材质等信息，是计算机图形学处理CG,数字几何处理如CAD, 数字几何工业应用, 是三维打印机支持的最常见文件格式。

STL是最多快速原型系统所应用的标准文件类型。STL是用三角网格来表现3D CAD模型。STL 文件是在计算机图形应用系统中，用于表示三角形网格的一种文件格式。 它的文件格式非常简单， 应用很广泛。

表面的三角剖分之后造成3D模型呈现多面体状。输出STL档案的参数选用会影响到成型的质量。所以当STL文件属于粗糙的或是呈现多面体状时候，会在模型上看到真实反应。

具体步骤：

导出建立好的模型为3D打印机支持的文件。大多数的3D打印机支持STL文件，

在CAD中选择文件-输出，选择STL格式文件，选择实体，导出到STL文件。我们就可以把STL文件到3D打印机中打印操作。

在CAD中，当您输出STL文件时，可能会看到的参数设定名称，如弦高(chord height)、角度公差(angle tolerance)、误差(deviation)、或是某些相似的名称。建议储存值为0.01或0.02。

在3D打印及带的软件中选择打印地形的区域。开始打印后打印机开始工作。

10CM×10CM×5CM的地形实体模型大约需要3个小时的打印时间，在打印过程中打印到湖水面是，可换蓝色打印原料，山体换绿色打印原料。

3D打印完成了后，对打印出来的三维模型进行细部修改。

完成的3D打印的地形立体模型（部分区域）。

四、三维模型成本

在试验中，我们使用的是国产的某型号3D打印机，该打印机可以打印双色。打印机售价约为6000元人民币。打印10CM×10CM×5CM的地形实体模型大约消耗500克打印材料，按照市面上的价格每千克300元计算，一个单位地形模型的成本约为180元（包括打印机损耗、原料价格、电费等）。这个价格是美国同类产品服务的十分之一（美国同类业务报价为380美元人民币约为2000元）。

在实际绘图中，我们可以将地形图附上卫星、航空遥感影像，从而可以打印出彩色的地形图。附图，目前彩色打印机的价格约为80万元，耗材价格也非常高，所以，我们将彩色模型做出来后交给有彩色3D打印机的公司打印，价格约为800元每个模型。

实际使用中，我们可以使用颜料染色，这样制作的模型将更符合实际的地形。这样的工序人工成本将增加。

五、市场前景

随着3D打印技术的发展，成本会越来越低，在未来的测绘成果交付中，附加测绘区域的三维模型将成为可能。

特别是在地下资源勘查的模拟，传统形式下由于剖面图精度有限，为矿体储量计算带来了很大误差，而计算机三维模型的应用，却可以对精确估算矿体体积，确定其开采方式，从而以最小的投入，获取最大的效果。

结束语

总而言之，计算机三维建模和3D打印技术的应用，在制图中发挥着重要辅助的作用，其操作简单，应用范围广泛，可用于地形沙盘、救灾演练、灾害模拟、军事部署、规划等方面。随着技术的进步和发展，3D打印技术会越来越实惠经济。因此，三维建模和3D打印技术的应用具有可观的经济效益，值得加强研究推广和应用。

参考文献：

[1]"打"出天下,"造"化万物――改变世界的3D打印技术 - 发明与创新（综合科技） - 2011 ( 11 )

[2]影响未来10年的6项技术发明 - 世界科学 - 2011 ( 10 )

[3]3D打印：更快捷的制造方式 - 创新科技 - 2011 ( 8 )

[4] Sherman, Lilli Manolis. 3D Printers Lead Growth of Rapid Prototyping (Plastics Technology, August 2004）. [2012-01-31].

[5] Pearce, Joshua M. 2012.“Building Research Equipment with Free, Open-Source Hardware.”Science 337（6100）: 13031304.open access

[6]让梦想变成现实3D打印留足想象空间，中关村在线。

[7] 网站

作者简介：

姓名：李俊宏 男，2006年毕业于中国地质大学（北京）。现就职于：云南地质工程第二勘察院测绘队\(云南省楚雄市)。从事地理信息系统，测绘等相关专业工作。