3D打印技術(shù)在智慧礦山三維建模中的應(yīng)用

陳志勇

（甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)開發(fā)局測繪勘查院，甘肅 蘭州 730000）

1 概述

20世紀中葉，3D打印技術(shù)在全球已經(jīng)得到一定的發(fā)展和推廣，現(xiàn)如今該技術(shù)已逐漸發(fā)展成熟并且成為當前最熱門的技術(shù)之一。2013年在北京召開的世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會成立了世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，這標志著3D打印技術(shù)真正進入了大規(guī)模應(yīng)用和研究的階段。3D打印技術(shù)根據(jù)三維實體模型，首先將三維數(shù)字模型變成一定厚度的二維平面模型，再將數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理，最后對加工出的每個二維平面模型粘結(jié)而成型的過程，具體工藝路線圖如圖1所示。

圖1 3D打印技術(shù)成型過程示意圖

對于3D打印技術(shù)的大規(guī)模研究引起了測繪工作者的廣泛關(guān)注。地理信息空間三維數(shù)據(jù)隨著智慧城市、智慧礦山等概念的提出，在GIS領(lǐng)域顯得越來越重要。三維建模是礦山的基礎(chǔ)和核心，通過三維建模對礦山整體及其相關(guān)現(xiàn)象的統(tǒng)一表達和實景再現(xiàn)，并且運用GIS手段對所涉及的所有空間數(shù)據(jù)進行收集整理、分類存儲和深度挖掘利用，已成為測繪行業(yè)一項重要的工作[1]。當前，雖然可以以傳統(tǒng)的測量手段獲得的地理信息空間三維數(shù)據(jù)進行礦山的實景再現(xiàn)和基本屬性查詢，但這樣的處理方式對于大范圍而且復(fù)雜多變的礦山不僅效率低下，更可能造成許多真實信息的丟失[2-3]。例如，在顯示器二維平面上顯示三維實景數(shù)據(jù)，所呈現(xiàn)的結(jié)果會因人類視覺習(xí)慣而產(chǎn)生很大的差異，這就違背了以三維實景模型還原真實場景的初衷。可見以往的以計算機三維模型呈現(xiàn)礦山三維信息的手段難以滿足智慧礦山的需求，如何將計算機處理生成的三維實景模型轉(zhuǎn)換成直觀、清晰的實景數(shù)字化信息，以快速、真實、直觀的形式展現(xiàn)到管理者面前，已成為一個亟待解決的難題[4]。

2 3D打印技術(shù)簡介

3D打印技術(shù)通俗講就是將傳統(tǒng)打印所用的原材料由油墨換成了橡膠、尼龍玻纖、耐用性尼龍、石膏、鋁材料、鈦合金等多種原材料，用逐層打印、疊加成型的方式完個性化、單個產(chǎn)品的生產(chǎn)制作。

不論何種3D打印技術(shù)，一般都具有快速、低成本、制作材料不限、自由度高、高集成等特點，可廣泛應(yīng)用于直接生產(chǎn)零件、功能模型、智慧城市、智慧礦山、軍事分析等領(lǐng)域，高效率、高精度的獨特優(yōu)勢能為礦山三維建模提供直觀、清晰、精準的實景三維模型實體。

3 三維建模在智慧礦山中的重要性

智慧礦山是指以真實礦山為主體，以空間地理坐標為參考系、以空間數(shù)據(jù)云平臺為基礎(chǔ)和以5G網(wǎng)絡(luò)為技術(shù)支撐，運用3S技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、VR技術(shù)等對礦山基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)等信息進行自動采集、整理、存儲、分析、運用，實現(xiàn)礦山的基礎(chǔ)智能網(wǎng)聯(lián)、5G通訊、全局調(diào)度和無人化管理的技術(shù)系統(tǒng)。它是對整個礦山海量基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的真實再現(xiàn)，旨在實現(xiàn)礦山的可視化、網(wǎng)格化、智能化。在海量的空間地理信息數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，充分利用空間分析、數(shù)據(jù)挖掘、虛擬現(xiàn)實技術(shù)，為礦產(chǎn)資源的評估、規(guī)劃、設(shè)計、開采、和決策管理實現(xiàn)最新、最快、個性化的智能裝配平臺和接口。

三維建模是實現(xiàn)智慧礦山建設(shè)的基礎(chǔ)與核心。智慧礦山的真正價值來自于構(gòu)建在三維模型上的采區(qū)管理、運輸、通風(fēng)、設(shè)備管理、供電、人員管理等各種應(yīng)用系統(tǒng)。但這些應(yīng)用系統(tǒng)在很大程度上依賴于礦區(qū)的三維模型，沒有三維建模技術(shù)支撐的智慧礦山將是空中樓閣。智慧礦山是礦山測繪中基礎(chǔ)性和實踐性較強的概念，涉及眾多技術(shù)領(lǐng)域，如地質(zhì)、巷道、硐室、管網(wǎng)、設(shè)備、地形、地面建筑等。就技術(shù)優(yōu)勢而言，精細、準確的三維建模使計算機中的礦山模型從地上到地下和真實場景一模一樣，能真正的用于指導(dǎo)設(shè)計、開采、分析、決策。智慧礦山三維建模的數(shù)據(jù)來源多種多樣，不同階段的數(shù)據(jù)來源也各有差異。主要是以地理空間數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)、剖面數(shù)據(jù)、各礦層底板等高線數(shù)據(jù)來進行三維建模，如圖2所示。

圖2 礦山三維建模數(shù)據(jù)類型

三維模型基于計算機屏幕的可視化展示在一定程度上改變了過去數(shù)據(jù)分散、格式不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)利用率低、不直觀等問題。但三維模型數(shù)據(jù)還是存在諸多弊端，在很大程度上制約了礦山立體、真實數(shù)據(jù)的展現(xiàn)。隨著應(yīng)用的深入，三維數(shù)據(jù)的真實再現(xiàn)顯得越來越重要。相比之下，3D打印技術(shù)的日益發(fā)展成熟，對僅僅支持可視化的三維模型表達帶來了更真實、更直接的改變[5-8]。它以逐層打印、疊加成型的方式向用戶展現(xiàn)地理空間實體，真實再現(xiàn)實體三維景觀。將收集的數(shù)字化和可視化信息以實體的形式進行表達，如礦山整體模型、礦區(qū)鉆孔分布模型和礦區(qū)剖面模型等，使用戶通過3D打印后的產(chǎn)品對礦山實體有一個直觀的理解。

4 3D打印技術(shù)在智慧礦山中的應(yīng)用

4.1 數(shù)據(jù)準備

卡瓦鐵礦位于甘肅省肅南裕固族自治縣內(nèi)，與鏡鐵山鐵礦屬于同一成礦帶，其成礦地貌地處河西走廊南山地體與托萊山地體的構(gòu)造結(jié)合部。以卡瓦鐵礦為例，論述模型建立和3D打印流程以及過程中需要注意的問題，具體流程如圖3所示。

圖3 礦山三維模型生產(chǎn)流程

收集整理現(xiàn)勢力較好的包含整個礦區(qū)范圍的分辨率為0.5m的高分辨率WorldView-2衛(wèi)星遙感影像和精度為12.5m的卡瓦礦區(qū)數(shù)字高程模型。0.5m分辨率的遙感影像在表達礦區(qū)地物細節(jié)特征和紋理特征方面尤為重要，這些優(yōu)勢可以為后期礦帶、露頭注記給予幫助；高分辨率的衛(wèi)星影像匹配高精度的數(shù)字高程模型，為礦區(qū)三維立體模型的生產(chǎn)提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)源。礦區(qū)海拔高，常年積雪，氣候條件惡劣，從而使得到的影像云雪覆蓋量大，對后期處理、使用帶來一定困難。利用GIS手段對前期獲取的數(shù)據(jù)進行影像配準、影像校正、鑲嵌、裁切、勻光和勻色。最終得到滿足要求的任務(wù)區(qū)正射影像數(shù)據(jù)（DOM）。根據(jù)得到的DOM數(shù)據(jù)，裁切完成最終的DEM數(shù)據(jù)。對于收集的點、線、面矢量數(shù)據(jù)進行分析、整理，在場景模型完成后根據(jù)用戶需求定制建模、生產(chǎn)打印個性化產(chǎn)品。

4.2 三維建模

以SkyLine為軟件平臺，構(gòu)建MPT數(shù)據(jù)、發(fā)布卡瓦鐵礦1000km2范圍內(nèi)的三維場景模型。以收集、整理后的點、線、面矢量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按照需求創(chuàng)建部分個性化三維模型，如鉆孔分布、剖面等模型數(shù)據(jù)。

模型創(chuàng)建過程中，模型的質(zhì)量檢查對整個過程起著至關(guān)重要的作用。打開已經(jīng)創(chuàng)建的MPT文件，檢查數(shù)據(jù)是否滿足要求，具體的檢查內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)是否有漏洞和缺失；是否存在高程異常，如凸起、斷層等；接邊處是否存在高差現(xiàn)象。

在完成場景模型的搭建后，根據(jù)需求對單體的模型進行粗模、精模、修整、渲染、導(dǎo)出、整飾和集成，最終完成所有模型的創(chuàng)建。

4.3 3D打印

3D打印主要包括計算機三維軟件識別。

模型數(shù)據(jù)、三維模型轉(zhuǎn)二維平面模型（二維切片制作）、打印二維薄層、粘合成型。二維薄層從底層開始逐層打印粘合直至頂層完成整個模型的制作過程，如圖4所示。

圖4 3D打印流程圖

首先啟動3D打印機，讀取已經(jīng)完成三維模型數(shù)據(jù)，檢查數(shù)據(jù)的正確性，然后將特定格式的模型切片文件傳送給3D打印機，同時裝入3D打印材料、調(diào)試打印平臺、設(shè)定打印參數(shù)、最后打印機開始工作，材料會一層一層地打印出來，層與層之間通過特殊的膠水進行粘合，并按照橫截面將圖案固定住，最終經(jīng)過分層打印、層層粘合、逐層堆砌，完整的礦山三維場景模型就完成了。

3D打印機工作完成后，取出模型實體，做后期處理，主要包括后期模型固化、剝離、修整等。如，對于一些特殊的鉆孔、剖面懸空結(jié)構(gòu)，需要相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)才可以打印懸空以上的部分，對于多余的支撐需要后期處理；還有，除了3DP的打印技術(shù)可以做到彩色3D打印之外，其他的一般只可以打印單種顏色，所以需要對打印出來的模型進行上色，如ABS塑料、光敏樹脂、金屬等，不同材料需要使用不一樣的顏料進行著色。

5 小結(jié)

隨著3D打印技術(shù)和大數(shù)據(jù)云平臺技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對采礦業(yè)而言在數(shù)字化信息技術(shù)蓬勃發(fā)展的浪潮中機遇與挑戰(zhàn)并存，智慧礦山已成為采礦業(yè)大力發(fā)展的重要技術(shù)手段。大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)+等新興技術(shù)的快速發(fā)展，為智慧礦山提供了強大的支持保障，使得智慧礦山在礦產(chǎn)資源規(guī)劃、開發(fā)、生產(chǎn)和管理等方面發(fā)揮的作用越來越顯著[9-10]。智慧礦山三維建模與3D打印技術(shù)的結(jié)合在提高模型生產(chǎn)效率的同時也提高了原型的復(fù)制性。該模型充分體現(xiàn)了3D打印技術(shù)在數(shù)字礦山三維模型應(yīng)用中的優(yōu)勢，因其快速，高效，集成等優(yōu)點，為后期地質(zhì)找礦、礦山管理大規(guī)模應(yīng)用示范創(chuàng)造有利條件，也必將成為未來地質(zhì)測繪行業(yè)重要操作手段之一[11]。