3D打印技术在智慧矿山三维建模中的应用

陈志勇

（甘肃省地质矿产开发局测绘勘查院，甘肃 兰州 730000）

1 概述

20世纪中叶，3D打印技术在全球已经得到一定的发展和推广，现如今该技术已逐渐发展成熟并且成为当前最热门的技术之一。2013年在北京召开的世界3D打印技术产业大会成立了世界3D打印技术产业联盟，这标志着3D打印技术真正进入了大规模应用和研究的阶段。3D打印技术根据三维实体模型，首先将三维数字模型变成一定厚度的二维平面模型，再将数据进行相应的处理，最后对加工出的每个二维平面模型粘结而成型的过程，具体工艺路线图如图1所示。

图1 3D打印技术成型过程示意图

对于3D打印技术的大规模研究引起了测绘工作者的广泛关注。地理信息空间三维数据随着智慧城市、智慧矿山等概念的提出，在GIS领域显得越来越重要。三维建模是矿山的基础和核心，通过三维建模对矿山整体及其相关现象的统一表达和实景再现，并且运用GIS手段对所涉及的所有空间数据进行收集整理、分类存储和深度挖掘利用，已成为测绘行业一项重要的工作[1]。当前，虽然可以以传统的测量手段获得的地理信息空间三维数据进行矿山的实景再现和基本属性查询，但这样的处理方式对于大范围而且复杂多变的矿山不仅效率低下，更可能造成许多真实信息的丢失[2-3]。例如，在显示器二维平面上显示三维实景数据，所呈现的结果会因人类视觉习惯而产生很大的差异，这就违背了以三维实景模型还原真实场景的初衷。可见以往的以计算机三维模型呈现矿山三维信息的手段难以满足智慧矿山的需求，如何将计算机处理生成的三维实景模型转换成直观、清晰的实景数字化信息，以快速、真实、直观的形式展现到管理者面前，已成为一个亟待解决的难题[4]。

2 3D打印技术简介

3D打印技术通俗讲就是将传统打印所用的原材料由油墨换成了橡胶、尼龙玻纤、耐用性尼龙、石膏、铝材料、钛合金等多种原材料，用逐层打印、叠加成型的方式完个性化、单个产品的生产制作。

不论何种3D打印技术，一般都具有快速、低成本、制作材料不限、自由度高、高集成等特点，可广泛应用于直接生产零件、功能模型、智慧城市、智慧矿山、军事分析等领域，高效率、高精度的独特优势能为矿山三维建模提供直观、清晰、精准的实景三维模型实体。

3 三维建模在智慧矿山中的重要性

智慧矿山是指以真实矿山为主体，以空间地理坐标为参考系、以空间数据云平台为基础和以5G网络为技术支撑，运用3S技术、物联网技术、VR技术等对矿山基础地理空间数据等信息进行自动采集、整理、存储、分析、运用，实现矿山的基础智能网联、5G通讯、全局调度和无人化管理的技术系统。它是对整个矿山海量基础地理信息数据的真实再现，旨在实现矿山的可视化、网格化、智能化。在海量的空间地理信息数据基础上，充分利用空间分析、数据挖掘、虚拟现实技术，为矿产资源的评估、规划、设计、开采、和决策管理实现最新、最快、个性化的智能装配平台和接口。

三维建模是实现智慧矿山建设的基础与核心。智慧矿山的真正价值来自于构建在三维模型上的采区管理、运输、通风、设备管理、供电、人员管理等各种应用系统。但这些应用系统在很大程度上依赖于矿区的三维模型，没有三维建模技术支撑的智慧矿山将是空中楼阁。智慧矿山是矿山测绘中基础性和实践性较强的概念，涉及众多技术领域，如地质、巷道、硐室、管网、设备、地形、地面建筑等。就技术优势而言，精细、准确的三维建模使计算机中的矿山模型从地上到地下和真实场景一模一样，能真正的用于指导设计、开采、分析、决策。智慧矿山三维建模的数据来源多种多样，不同阶段的数据来源也各有差异。主要是以地理空间数据、钻孔数据、剖面数据、各矿层底板等高线数据来进行三维建模，如图2所示。

图2 矿山三维建模数据类型

三维模型基于计算机屏幕的可视化展示在一定程度上改变了过去数据分散、格式不统一、数据利用率低、不直观等问题。但三维模型数据还是存在诸多弊端，在很大程度上制约了矿山立体、真实数据的展现。随着应用的深入，三维数据的真实再现显得越来越重要。相比之下，3D打印技术的日益发展成熟，对仅仅支持可视化的三维模型表达带来了更真实、更直接的改变[5-8]。它以逐层打印、叠加成型的方式向用户展现地理空间实体，真实再现实体三维景观。将收集的数字化和可视化信息以实体的形式进行表达，如矿山整体模型、矿区钻孔分布模型和矿区剖面模型等，使用户通过3D打印后的产品对矿山实体有一个直观的理解。

4 3D打印技术在智慧矿山中的应用

4.1 数据准备

卡瓦铁矿位于甘肃省肃南裕固族自治县内，与镜铁山铁矿属于同一成矿带，其成矿地貌地处河西走廊南山地体与托莱山地体的构造结合部。以卡瓦铁矿为例，论述模型建立和3D打印流程以及过程中需要注意的问题，具体流程如图3所示。

图3 矿山三维模型生产流程

收集整理现势力较好的包含整个矿区范围的分辨率为0.5m的高分辨率WorldView-2卫星遥感影像和精度为12.5m的卡瓦矿区数字高程模型。0.5m分辨率的遥感影像在表达矿区地物细节特征和纹理特征方面尤为重要，这些优势可以为后期矿带、露头注记给予帮助；高分辨率的卫星影像匹配高精度的数字高程模型，为矿区三维立体模型的生产提供高质量的数据源。矿区海拔高，常年积雪，气候条件恶劣，从而使得到的影像云雪覆盖量大，对后期处理、使用带来一定困难。利用GIS手段对前期获取的数据进行影像配准、影像校正、镶嵌、裁切、匀光和匀色。最终得到满足要求的任务区正射影像数据（DOM）。根据得到的DOM数据，裁切完成最终的DEM数据。对于收集的点、线、面矢量数据进行分析、整理，在场景模型完成后根据用户需求定制建模、生产打印个性化产品。

4.2 三维建模

以SkyLine为软件平台，构建MPT数据、发布卡瓦铁矿1000km2范围内的三维场景模型。以收集、整理后的点、线、面矢量数据为基础，按照需求创建部分个性化三维模型，如钻孔分布、剖面等模型数据。

模型创建过程中，模型的质量检查对整个过程起着至关重要的作用。打开已经创建的MPT文件，检查数据是否满足要求，具体的检查内容包括：数据是否有漏洞和缺失；是否存在高程异常，如凸起、断层等；接边处是否存在高差现象。

在完成场景模型的搭建后，根据需求对单体的模型进行粗模、精模、修整、渲染、导出、整饰和集成，最终完成所有模型的创建。

4.3 3D打印

3D打印主要包括计算机三维软件识别。

模型数据、三维模型转二维平面模型（二维切片制作）、打印二维薄层、粘合成型。二维薄层从底层开始逐层打印粘合直至顶层完成整个模型的制作过程，如图4所示。

图4 3D打印流程图

首先启动3D打印机，读取已经完成三维模型数据，检查数据的正确性，然后将特定格式的模型切片文件传送给3D打印机，同时装入3D打印材料、调试打印平台、设定打印参数、最后打印机开始工作，材料会一层一层地打印出来，层与层之间通过特殊的胶水进行粘合，并按照横截面将图案固定住，最终经过分层打印、层层粘合、逐层堆砌，完整的矿山三维场景模型就完成了。

3D打印机工作完成后，取出模型实体，做后期处理，主要包括后期模型固化、剥离、修整等。如，对于一些特殊的钻孔、剖面悬空结构，需要相应的支撑结构才可以打印悬空以上的部分，对于多余的支撑需要后期处理；还有，除了3DP的打印技术可以做到彩色3D打印之外，其他的一般只可以打印单种颜色，所以需要对打印出来的模型进行上色，如ABS塑料、光敏树脂、金属等，不同材料需要使用不一样的颜料进行着色。

5 小结

随着3D打印技术和大数据云平台技术的广泛应用，对采矿业而言在数字化信息技术蓬勃发展的浪潮中机遇与挑战并存，智慧矿山已成为采矿业大力发展的重要技术手段。大数据、互联网+等新兴技术的快速发展，为智慧矿山提供了强大的支持保障，使得智慧矿山在矿产资源规划、开发、生产和管理等方面发挥的作用越来越显著[9-10]。智慧矿山三维建模与3D打印技术的结合在提高模型生产效率的同时也提高了原型的复制性。该模型充分体现了3D打印技术在数字矿山三维模型应用中的优势，因其快速，高效，集成等优点，为后期地质找矿、矿山管理大规模应用示范创造有利条件，也必将成为未来地质测绘行业重要操作手段之一[11]。