基于遙感技術(shù)的快速成型彩色三維地形沙盤(pán)

■文/耿海天

基于遙感技術(shù)的快速成型彩色三維地形沙盤(pán)

■文/耿海天

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

遙感；3D打印；地形沙盤(pán)

1.背景

自從1960年第一顆遙感衛(wèi)星發(fā)射以來(lái)，遙感在農(nóng)業(yè)、災(zāi)害、礦產(chǎn)勘探、環(huán)保生態(tài)、軍事等眾多行業(yè)進(jìn)行了廣泛應(yīng)用。2000年NASA的SRTM（（ShuttleRadarTopographyMission，航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪使命）計(jì)劃采用雷達(dá)干涉測(cè)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(dāng)前的3D打印技術(shù)，突破紙質(zhì)地圖、人工沙盤(pán)等傳統(tǒng)手段，采用機(jī)器人協(xié)同控制結(jié)合高精度噴墨技術(shù)，將利用遙感技術(shù)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(pán)加工存在的問(wèn)題，極大地提高沙盤(pán)的分辨率，提高精度，在城市規(guī)劃、三維地圖、災(zāi)害應(yīng)急、文物復(fù)原重建、作戰(zhàn)模擬等方面都可廣泛應(yīng)用。

2.意義與必要性

三維實(shí)體模型是對(duì)建筑做出的一種最直觀的展示方法。通過(guò)三維實(shí)體模型，我們就可以清楚地看到整棟建筑的細(xì)節(jié)布局。然而，傳統(tǒng)三維實(shí)體模型的制作方法通常制作工藝復(fù)雜、制作周期長(zhǎng)，因而價(jià)格也非常昂貴。而3D打印技術(shù)由于其一次成型（成型速度快）的特點(diǎn)，不僅能大大簡(jiǎn)化三維實(shí)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(pán)，基于遙感數(shù)據(jù)將電子地圖仿真數(shù)據(jù)通過(guò)設(shè)備進(jìn)行加工渲染得到“真”三維的實(shí)體模型，將地形信息按照人們?nèi)粘Ａ?xí)慣的方式全面地展示出來(lái)；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(shù)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(shè)計(jì)等核心技術(shù)，實(shí)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(pán)。

3.技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢(shì)

3.1地形數(shù)據(jù)來(lái)源與數(shù)據(jù)格式

地形數(shù)據(jù)來(lái)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(cè)量數(shù)據(jù)等。其中成像衛(wèi)星主要包括：國(guó)產(chǎn)的“高分”“資源”“北京”“吉林”系列衛(wèi)星，國(guó)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(xué)傳感器和雷達(dá)傳感器，光學(xué)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(jí)到數(shù)十米。而國(guó)內(nèi)的“資源三號(hào)”和國(guó)外的“ALOS”立體測(cè)繪衛(wèi)星，可以利用立體測(cè)繪獲取的遙感數(shù)據(jù)通過(guò)攝影測(cè)量方法，得到最新的地形數(shù)據(jù)。機(jī)載三維成像儀可通過(guò)航空遙感平臺(tái)獲取地面三維信息。傳統(tǒng)的地面測(cè)量方法，可獲得相對(duì)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(pán)模型數(shù)據(jù)生成

三維地形沙盤(pán)模型由遙感立體像對(duì)數(shù)據(jù)重建而成。人類在觀察物體時(shí)，左眼看左像，右眼看右像，也即“分像”，是人造立體視覺(jué)產(chǎn)生的主要方法。而立體像對(duì)是指在兩攝站點(diǎn)對(duì)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(jué)，重建地面物體的三維模型，并對(duì)該模型進(jìn)行量測(cè)，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(jié)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(shù)整合在一起，需要電子、通信、光學(xué)、機(jī)械、材料、計(jì)算機(jī)等多種技術(shù)結(jié)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(tuán)固融浸潤(rùn)發(fā)散功能集中在同一平臺(tái)上運(yùn)作；通過(guò)3D技術(shù)的擴(kuò)展、設(shè)備的融合能力和遙感數(shù)據(jù)開(kāi)放性以及網(wǎng)絡(luò)的虛擬化能力等多方面技術(shù)的綜合開(kāi)發(fā)，確保重建三維場(chǎng)景彩色大幅面快速成型。

3.4與傳統(tǒng)制作技術(shù)對(duì)比

3D打印技術(shù)需要有三維設(shè)計(jì)草圖，傳統(tǒng)三維實(shí)體模型制作是要拿到平面設(shè)計(jì)草圖，制作公司要將設(shè)計(jì)草圖仔細(xì)研究明白。

3D打印技術(shù)需要建模師根據(jù)三維設(shè)計(jì)草圖進(jìn)行修模，根據(jù)草圖復(fù)雜程度，修改耗時(shí)大約為1天；傳統(tǒng)三維實(shí)體模型制作要進(jìn)行調(diào)色、噴漆、雕刻幾個(gè)步驟，周期大約5～7天。

3D打印技術(shù)需要將修改后的三維模型交付3d打印機(jī)打印，按照要求比例一體成型；傳統(tǒng)模型制作需要雕刻、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、板塊分解、模塊組合、粘接等多個(gè)復(fù)雜流程。

3D打印技術(shù)可根據(jù)模型大小及布置圖紙定制展臺(tái)，購(gòu)買布置所需景觀。

沙盤(pán)最終成型時(shí)，需將建筑物單體、園林景觀、道路、設(shè)備設(shè)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(shù)只需打印機(jī)幾分鐘打印出來(lái)即可，規(guī)范美觀。

制作費(fèi)用及耗時(shí)，3D打印技術(shù)制作的費(fèi)用為傳統(tǒng)制作方式的一半，耗時(shí)為6天，傳統(tǒng)制作為1.5～3個(gè)月。

4.總結(jié)

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

傳統(tǒng)三維實(shí)體模型制作需要首先制作平面線框草圖，并根據(jù)比例設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，再進(jìn)行板塊分解，并按要求補(bǔ)充沙盤(pán)細(xì)節(jié)部件，發(fā)送到雕刻機(jī)雕刻出所有PVC板塊，再拼裝粘合起來(lái)。整個(gè)制作周期通常在1.5～3個(gè)月。 采用3D打印技術(shù)制作三維實(shí)體模型的步驟則簡(jiǎn)略得多，只需要拿到3D設(shè)計(jì)草圖，由建模師修模，然后交付3D打印機(jī)打印制作就完成了，完全省略了冗長(zhǎng)的拼裝粘合過(guò)程，也避免了各版塊出現(xiàn)比例誤差或錯(cuò)誤的可能。

（作者單位：中國(guó)人民大學(xué)附屬中學(xué)）

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1671-0134（2016）10-054-02

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