■文/耿海天

基于遙感技術的快速成型彩色三維地形沙盤

■文/耿海天

本文探討了基于遙感技術快速成型打印彩色三維地形沙盤的可行性。利用遙感技術建立高精度地形三維模型，使用大幅面全彩3D打印技術確保重建三維場景快速成型。3D打印技術制作的三維地形沙盤較傳統(tǒng)三維實體地形沙盤制作有周期短、費用低、精度高的優(yōu)勢。

遙感；3D打??；地形沙盤

1.背景

自從1960年第一顆遙感衛(wèi)星發(fā)射以來，遙感在農(nóng)業(yè)、災害、礦產(chǎn)勘探、環(huán)保生態(tài)、軍事等眾多行業(yè)進行了廣泛應用。2000年NASA的SRTM（（ShuttleRadarTopographyMission，航天飛機雷達地形測繪使命）計劃采用雷達干涉測量法獲得了全球陸表80%以上面積90米高程分辨率數(shù)據(jù)，繪制了全球表面三維地形圖。

當前的3D打印技術，突破紙質地圖、人工沙盤等傳統(tǒng)手段，采用機器人協(xié)同控制結合高精度噴墨技術，將利用遙感技術獲取的三維地形模型快速打印成型，可以很好地解決目前人工沙盤加工存在的問題，極大地提高沙盤的分辨率，提高精度，在城市規(guī)劃、三維地圖、災害應急、文物復原重建、作戰(zhàn)模擬等方面都可廣泛應用。

2.意義與必要性

三維實體模型是對建筑做出的一種最直觀的展示方法。通過三維實體模型，我們就可以清楚地看到整棟建筑的細節(jié)布局。然而，傳統(tǒng)三維實體模型的制作方法通常制作工藝復雜、制作周期長，因而價格也非常昂貴。而3D打印技術由于其一次成型（成型速度快）的特點，不僅能大大簡化三維實體模型的制作工藝，還能顯著降低制作成本。

彩色三維地形沙盤，基于遙感數(shù)據(jù)將電子地圖仿真數(shù)據(jù)通過設備進行加工渲染得到“真”三維的實體模型，將地形信息按照人們日常習慣的方式全面地展示出來；采用了地形保障系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理與融合、三維地形數(shù)據(jù)技術及匹配、三維地形數(shù)據(jù)仿真演示、快速高精度三維地形模型雕刻加工、快速高精度全彩色三維地形模型噴墨、地形保障系統(tǒng)一體化設計等核心技術，實現(xiàn)支持多種偵察數(shù)據(jù)格式的高精度的彩色三維地形沙盤。

3.技術現(xiàn)狀及趨勢

3.1地形數(shù)據(jù)來源與數(shù)據(jù)格式

地形數(shù)據(jù)來源于多種傳感器采集的多源數(shù)據(jù)，包括航天航空遙感數(shù)據(jù)、地面測量數(shù)據(jù)等。其中成像衛(wèi)星主要包括：國產(chǎn)的“高分”“資源”“北京”“吉林”系列衛(wèi)星，國外的“QuickBird”“IKNOS”“Landsat”“Spot”“OrbView”“RapidEye”“Skybox”“Pleiades”等系列商業(yè)遙感衛(wèi)星。其傳感器按照類型可分光學傳感器和雷達傳感器，光學傳感器又可分為全色、真彩色、紅外、多光譜、高光譜等，地面分辨率從亞米級到數(shù)十米。而國內的“資源三號”和國外的“ALOS”立體測繪衛(wèi)星，可以利用立體測繪獲取的遙感數(shù)據(jù)通過攝影測量方法，得到最新的地形數(shù)據(jù)。機載三維成像儀可通過航空遙感平臺獲取地面三維信息。傳統(tǒng)的地面測量方法，可獲得相對精度更高的地面三維數(shù)據(jù)，但人工參與程度高，效率較低。

3.2三維地形沙盤模型數(shù)據(jù)生成

三維地形沙盤模型由遙感立體像對數(shù)據(jù)重建而成。人類在觀察物體時，左眼看左像，右眼看右像，也即“分像”，是人造立體視覺產(chǎn)生的主要方法。而立體像對是指在兩攝站點對同一地面景物攝取有一定影像重疊的兩張像片，模仿人類視覺，重建地面物體的三維模型，并對該模型進行量測，得到模型的地形地貌信息，生成數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字表面模型（DSM）數(shù)據(jù)。遙感圖像與數(shù)字地形高程數(shù)據(jù)結合，可以形成三維地面可視圖等。

3.3全真地形模型加工

全真地形模型加工，需要多種技術整合在一起，需要電子、通信、光學、機械、材料、計算機等多種技術結合。將數(shù)字信息處理系統(tǒng)、高精度三束（激光束、電子束、等離子束）3D掃描系統(tǒng)和激光熔敷加工、柔性氣象液團固融浸潤發(fā)散功能集中在同一平臺上運作；通過3D技術的擴展、設備的融合能力和遙感數(shù)據(jù)開放性以及網(wǎng)絡的虛擬化能力等多方面技術的綜合開發(fā)，確保重建三維場景彩色大幅面快速成型。

3.4與傳統(tǒng)制作技術對比

3D打印技術需要有三維設計草圖，傳統(tǒng)三維實體模型制作是要拿到平面設計草圖，制作公司要將設計草圖仔細研究明白。

3D打印技術需要建模師根據(jù)三維設計草圖進行修模，根據(jù)草圖復雜程度，修改耗時大約為1天；傳統(tǒng)三維實體模型制作要進行調色、噴漆、雕刻幾個步驟，周期大約5～7天。

3D打印技術需要將修改后的三維模型交付3d打印機打印，按照要求比例一體成型；傳統(tǒng)模型制作需要雕刻、結構設計、板塊分解、模塊組合、粘接等多個復雜流程。

3D打印技術可根據(jù)模型大小及布置圖紙定制展臺，購買布置所需景觀。

沙盤最終成型時，需將建筑物單體、園林景觀、道路、設備設施等按位置固定好，傳統(tǒng)制作方式需要人工完成，3D打印技術只需打印機幾分鐘打印出來即可，規(guī)范美觀。

制作費用及耗時，3D打印技術制作的費用為傳統(tǒng)制作方式的一半，耗時為6天，傳統(tǒng)制作為1.5～3個月。

4.總結

從上可以看出，利用3D打印技術制作的三維實體模型周期短、費用低、精度高，較傳統(tǒng)三維實體模型制作有不可比擬的優(yōu)勢，所以3D打印技術制作三維實體模型必將是一大發(fā)展趨勢。

傳統(tǒng)三維實體模型制作需要首先制作平面線框草圖，并根據(jù)比例設計結構細節(jié)，再進行板塊分解，并按要求補充沙盤細節(jié)部件，發(fā)送到雕刻機雕刻出所有PVC板塊，再拼裝粘合起來。整個制作周期通常在1.5～3個月。 采用3D打印技術制作三維實體模型的步驟則簡略得多，只需要拿到3D設計草圖，由建模師修模，然后交付3D打印機打印制作就完成了，完全省略了冗長的拼裝粘合過程，也避免了各版塊出現(xiàn)比例誤差或錯誤的可能。

（作者單位：中國人民大學附屬中學）

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1671-0134（2016）10-054-02

10.19483/j.cnki.11-4653/n.2016.10.019