王寶成，李曉亮，邢 輝

(河北省制圖院，河北 石家莊 050031)

3D地圖打印技術(shù)研究

王寶成，李曉亮，邢 輝

(河北省制圖院，河北 石家莊 050031)

2015年9月美國3D打印機在河北省制圖院落戶。筆者結(jié)合其配套打印軟件，組織技術(shù)人員反復(fù)實踐，研發(fā)出一套符合我國實際的3D地圖生產(chǎn)工藝流程，成功解決了基礎(chǔ)地理信息國標數(shù)據(jù)格式向3D格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、3D地形模型編輯、3D符號設(shè)計等一系列難題。該技術(shù)融合了3ds Max、ArcGIS、Global Mapper等多種軟件制圖技術(shù)，具備實用性強、可操作性強、推廣價值較高等優(yōu)點。產(chǎn)品涵蓋暈渲地圖、正射影像地圖、專題地圖、物理沙盤等品種。3D打印地圖具備以下特點：色彩鮮艷、地形直觀逼真；色彩設(shè)計自由，富于變化；精度高；可接收多源數(shù)據(jù)；生產(chǎn)效率高。

3D打印；3D地圖；數(shù)字地形模型；數(shù)字暈渲地圖；3ds Max；ArcGIS；Global Mapper；創(chuàng)新

目前，3D打印屬世界高新技術(shù)范疇，已在各種領(lǐng)域高端技術(shù)中得到實際應(yīng)用。其原本為“快速原型制造”之意，是20世紀末源自美國的一項高新制造技術(shù)，它是在CAD(CAM)技術(shù)、激光技術(shù)、計算機數(shù)控技術(shù)、精密伺服驅(qū)動技術(shù)及新材料技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的速成三維實體模型技術(shù)，主要優(yōu)點是能夠快速精密地制造出復(fù)雜形狀樣品或模型。3D技術(shù)已在世界范圍內(nèi)的生物醫(yī)學、航天航空、裝備制造、建筑設(shè)計裝修等領(lǐng)域得到應(yīng)用。在歐洲已有應(yīng)用生物3D打印機成功打印人體器官的先例。2016年3月美國成功將3D打印機送至太空空間站，為太空站維護提供即時打印部件服務(wù)。同月，俄羅斯也成功將外殼由3D打印技術(shù)制成的衛(wèi)星發(fā)射太空。在我國的軍事、機械制造、電子制造等領(lǐng)域也有相關(guān)應(yīng)用報道，但在地理信息測繪領(lǐng)域的應(yīng)用鮮有報道。

2015年9月美國3D打印機在河北省地理信息局落戶，由其直屬單位河北省制圖院使用。經(jīng)過近半年的應(yīng)用研究，逐步形成了較為成熟的3D地圖打印技術(shù)。

1 3D地圖打印技術(shù)現(xiàn)狀及工藝流程

1.1 3D地圖打印技術(shù)現(xiàn)狀

筆者充分利用美國3D打印機及配套打印驅(qū)動軟件，多方搜尋有關(guān)資料，經(jīng)過反復(fù)研究探索實踐，成功融合3ds Max、ArcGIS、Global Mapper等多種軟件制圖技術(shù)，研發(fā)出一套3D地圖生產(chǎn)工藝流程。該流程與測繪生產(chǎn)實際結(jié)合緊密，主要解決了基礎(chǔ)地理信息國標數(shù)據(jù)格式向3D格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等一系列難題，具備實用性強、可操作性強、產(chǎn)品直觀性強的特點，推廣價值較高。其工藝技術(shù)研究包括數(shù)據(jù)整理、3D地形模型編輯、數(shù)字地圖(暈渲)編輯、3D注記符號設(shè)計、3D打印輸出等內(nèi)容。3D地圖產(chǎn)品涵蓋暈渲地圖、正射影像地圖、專題地圖、物理沙盤等品種。不僅能夠生產(chǎn)各種基本比例尺3D地形圖，還能夠根據(jù)顧客需求生產(chǎn)不同尺寸不同比例尺的3D專題地圖。

1.2 工藝流程概況

為便于讀者了解探討該工藝，利于深入研究，筆者根據(jù)實踐，總結(jié)其工藝流程,如圖1所示。

圖1 3D地圖打印技術(shù)流程

從圖1可以看出，3D地圖打印技術(shù)的核心環(huán)節(jié)為：地圖的3D設(shè)計和3D打印。其中地圖設(shè)計環(huán)節(jié)決定了3D地圖產(chǎn)品表示的主題內(nèi)容及表現(xiàn)形式、外觀視覺色彩效果及其他物理性狀的數(shù)字參數(shù)。而3D打印技術(shù)能幫助設(shè)計者成功實現(xiàn)3D地圖產(chǎn)品從數(shù)字產(chǎn)品到物理產(chǎn)品的輸出。

2 3D地圖設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)資料整理

3D地圖顧名思義為立體地圖，故需要的最基本數(shù)據(jù)為地形數(shù)據(jù)。地形數(shù)據(jù)按照地圖基本比例尺劃分為11種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。如果按照數(shù)據(jù)格式劃分會更多，但最常用且通用性較好的數(shù)據(jù)格式主要有DXF和Shapefile兩種。數(shù)據(jù)整理包括統(tǒng)一空間參考系、統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式、檢查數(shù)據(jù)完整性、評價數(shù)據(jù)符合性及確定數(shù)據(jù)地理范圍等工作。

在3D設(shè)計中常用一個概念，即貼圖。而這里的貼圖即地圖。故需事先編制所需地圖并輸出柵格圖片。編制地圖所需的專業(yè)資料及其整理為業(yè)內(nèi)人士所熟悉，這里不再贅述。

2.2 3D地形模型編輯

2.2.1 數(shù)據(jù)裁剪

根據(jù)項目需要或顧客需求，在ArcGIS里將項目范圍外多余地形數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)剪切刪除，并檢查所需保留數(shù)據(jù)的完整性和屬性內(nèi)容的準確性。注意在裁剪數(shù)據(jù)時容易發(fā)生數(shù)據(jù)丟失和遺漏現(xiàn)象，需要制定嚴格的操作程序。

2.2.2 地形模型編輯

根據(jù)設(shè)計需求將裁切好的數(shù)據(jù)，首先進行細化分層以備輸出利用。地形模型編輯主要需要地形數(shù)據(jù)。因此要將該項目所需地形數(shù)據(jù)通過ArcGIS的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能轉(zhuǎn)換為ASCII格式數(shù)據(jù)或直接另存為一個地形Shape文件，再將該文件導入Global Mapper中。導入后主要用來做兩項工作：一是將線狀或點陣格式的地形數(shù)據(jù)生成地形模型數(shù)據(jù)；二是在此環(huán)境下用來編輯處理數(shù)字暈渲地圖，該工藝在下面章節(jié)中再詳細介紹。

在Global Mapper環(huán)境下將導入的項目地形數(shù)據(jù)生成3D地形數(shù)據(jù)并導出為GRD格式的3D數(shù)據(jù)；再將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為STL格式的模型數(shù)據(jù)并導入3ds Max中編輯處理地形模型。數(shù)據(jù)導入3ds Max后需要做以下工作：

(1) 縮小模型尺寸。由于導入的地形模型數(shù)據(jù)均為實地坐標數(shù)據(jù)，需要根據(jù)設(shè)計的3D地形模型比例尺計算出縮小參數(shù)或3D地圖模型尺寸。按照這個參數(shù)要求縮小原地形模型到3D打印輸出尺寸的地形模型(標準分幅尺寸或任意分幅尺寸)。

(2) 編輯地形模型。導入3ds Max中的地形數(shù)據(jù)由于經(jīng)過了若干工藝處理，可能存在缺陷。即使過程中沒有意外因素干擾，也由于測繪數(shù)據(jù)僅僅是用來生產(chǎn)平面圖或數(shù)據(jù)建庫而生產(chǎn)的數(shù)據(jù)，其本身就存在不能滿足地形建模的缺陷。因此該流程的工作主要是依據(jù)原地形數(shù)據(jù)資料邏輯修補模型，使之生成正確的符合野外實地環(huán)境的地形模型數(shù)據(jù)。這是3D地圖生產(chǎn)的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.3 數(shù)字暈渲地圖

本環(huán)節(jié)主要有兩個子環(huán)節(jié)：一是生成彩色數(shù)字暈渲地表效果；二是結(jié)合專題地圖生產(chǎn)技術(shù)編制相應(yīng)專題地圖。

利用前者導入的地形模型數(shù)據(jù)在Global Mapper環(huán)境下生成彩色數(shù)字暈渲地表圖。在生成過程中，要注意細化設(shè)置根據(jù)高程數(shù)值分級設(shè)色的參數(shù)，否則生成的色彩分級粗糙，色彩變化銜接不自然。要想得到理想的效果圖，往往需要多次的實踐和比對試驗才能滿足要求。

利用前者導入的專題地圖數(shù)據(jù)，在Global Mapper環(huán)境下利用其圖形管理功能生成彩色專題地圖，可以實現(xiàn)道路、水系、居民地、境界、行政區(qū)域等要素信息的點狀符號、線狀符號、面狀色彩及其注記的參數(shù)管理，進而編制一幅漂亮的地圖。當然也可在其他環(huán)境下編輯符合設(shè)計要求的地圖柵格圖片導入利用。

將上述數(shù)據(jù)疊加顯示，即可展現(xiàn)出一幅靚麗的數(shù)字暈渲立體地圖。將生成的地圖按照3D打印參數(shù)要求導出為柵格格式，以備后期利用。

2.4 地形模型與數(shù)字暈渲地圖的貼合及編輯處理

將上述過程得到的地形模型數(shù)據(jù)和數(shù)字暈渲地圖數(shù)據(jù)均導入3ds Max中貼合并編輯處理。

在3ds Max軟件中的工作，主要是處理地形模型與貼圖(數(shù)字暈渲圖)的套合度和貼合度。要求貼合緊密，而且地貌對應(yīng)關(guān)系正確。再者就是將項目范圍內(nèi)注記、符號、面積色等需要突出或立體化設(shè)計的，均要按照設(shè)計要求立體化，并調(diào)整其位置、大小。其關(guān)系處理方式與常規(guī)地圖編輯工作近似。特別需要注意的是當?shù)貓D比例尺較小時，注記、符號等在圖面上相應(yīng)的占位要大些，需要處理好二者之間的相互關(guān)系，才能清晰明確地表示主題。

3 3D打印

3.1 數(shù)據(jù)檢查及打印準備

前面工作完成后，利用3DEdit Pro軟件打開地形模型檢查其是否有破面、重復(fù)面及重復(fù)線等問題。發(fā)現(xiàn)問題必須使用軟件的修復(fù)功能進行自動修復(fù)編輯，整理完成之后保存。如不能自動修復(fù)編輯模型數(shù)據(jù)，則需重新導入3ds Max中再次仔細查找問題并修補模型數(shù)據(jù)，完成后再用3DEdit Pro檢查處理。如在檢查破面修復(fù)過程中貼圖消失，則要把修復(fù)好的地形模型重新導入3ds Max中再次貼圖并調(diào)整。

只有在模型數(shù)據(jù)通過軟件的上述檢查后，才可準備打印。甚至需要打印3D地圖小樣進行設(shè)計驗證，確認后方可正式打印。

用打印機軟件3DPrint打開模型數(shù)據(jù)。查看打印所用時間，檢查材料和墨水的用量，如缺失或不足，需及時更換或補齊。還需檢查打印機的其他各個方面工作狀態(tài)是否正常，一切正常后才能執(zhí)行打印操作。

3.2 打 印

地形模型打印一般為實體打印，耗時較長。由于墨頭壽命有限或高溫灼傷，需不定時更換。更換新墨頭后，又由于新墨頭原色為黑色，原模型不能再繼續(xù)打印。更換墨頭后要經(jīng)自行校正和清洗才可打印模型，因此墨頭、墨水和專用打印粉消耗較多。

3.3 整理和固化

打印完成后需經(jīng)過清理和固化兩個處理過程，才能完成打印的全部操作步驟。

3D模型清理工作需要特別仔細。模型上地貌、注記和符號等內(nèi)容均很精細，很容易遭到破壞。

清理后要經(jīng)過固化才可使用。固化劑是一種專用液態(tài)膠水，容易黏d附衣物和身體，且易揮發(fā)有氣味，需要注意安全，工作時要穿戴防護衣物。

固化劑使用后如暴露在開放環(huán)境很快就自然凝固，因此剩余部分要倒回瓶內(nèi)密封再次使用。

3D地圖固化后經(jīng)2個多小時即可使用。

3.4 整 飾

為了更好地體現(xiàn)和提高其使用價值，需要進行精美整飾。為其量身定做一個精美的圖框或底座，至此一幅精美的3D地圖打印完成。

4 產(chǎn)品及工藝流程特點

3D地圖打印工藝具備以下特點：①色彩鮮艷，設(shè)計自由，富于變化；②地形非常直觀、逼真、清晰易讀；③精度高，數(shù)字模型打印精度為0.075 mm；④可接收多源數(shù)據(jù)(除常規(guī)測量數(shù)據(jù)外，還包括LiDAR等點云數(shù)據(jù))；⑤生產(chǎn)效率高，一鍵打印成型，較以往傳統(tǒng)立體地圖(沙盤)的生產(chǎn)，周期縮短很多。

5 結(jié) 語

當今時代是創(chuàng)新時代。創(chuàng)新生產(chǎn)方式、拓展服務(wù)和延伸服務(wù)是提高新型測繪地理信息保障能力的前提。隨著社會的進步，3D地圖生產(chǎn)技術(shù)將會越來越成熟，產(chǎn)品會更科學、更完美，使地圖家族更豐富更新穎。尤其是在現(xiàn)代保障服務(wù)觀念的支撐下，是各級領(lǐng)導科學決策、規(guī)劃布局、直觀展示的首選地圖產(chǎn)品，同時為創(chuàng)建美麗和諧的社會環(huán)境提供了一個有力支撐點。

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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

王寶成，李曉亮，邢輝.3D地圖打印技術(shù)研究[J].測繪通報，2017(4)：98-100.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0129.

2016-06-06；

2017-01-09

王寶成(1970—)，男，高級工程師，主要從事地圖制圖、工程測量、地理信息數(shù)據(jù)處理方面的應(yīng)用及研究。E-mail：13032600242@163.com

P28

A

0494-0911(2017)04-0098-03