基于遥感技术的快速成型彩色三维地形沙盘

■文/耿海天

基于遥感技术的快速成型彩色三维地形沙盘

■文/耿海天

本文探讨了基于遥感技术快速成型打印彩色三维地形沙盘的可行性。利用遥感技术建立高精度地形三维模型，使用大幅面全彩3D打印技术确保重建三维场景快速成型。3D打印技术制作的三维地形沙盘较传统三维实体地形沙盘制作有周期短、费用低、精度高的优势。

遥感；3D打印；地形沙盘

1.背景

自从1960年第一颗遥感卫星发射以来，遥感在农业、灾害、矿产勘探、环保生态、军事等众多行业进行了广泛应用。2000年NASA的SRTM（（ShuttleRadarTopographyMission，航天飞机雷达地形测绘使命）计划采用雷达干涉测量法获得了全球陆表80%以上面积90米高程分辨率数据，绘制了全球表面三维地形图。

当前的3D打印技术，突破纸质地图、人工沙盘等传统手段，采用机器人协同控制结合高精度喷墨技术，将利用遥感技术获取的三维地形模型快速打印成型，可以很好地解决目前人工沙盘加工存在的问题，极大地提高沙盘的分辨率，提高精度，在城市规划、三维地图、灾害应急、文物复原重建、作战模拟等方面都可广泛应用。

2.意义与必要性

三维实体模型是对建筑做出的一种最直观的展示方法。通过三维实体模型，我们就可以清楚地看到整栋建筑的细节布局。然而，传统三维实体模型的制作方法通常制作工艺复杂、制作周期长，因而价格也非常昂贵。而3D打印技术由于其一次成型（成型速度快）的特点，不仅能大大简化三维实体模型的制作工艺，还能显著降低制作成本。

彩色三维地形沙盘，基于遥感数据将电子地图仿真数据通过设备进行加工渲染得到“真”三维的实体模型，将地形信息按照人们日常习惯的方式全面地展示出来；采用了地形保障系统中的数据处理与融合、三维地形数据技术及匹配、三维地形数据仿真演示、快速高精度三维地形模型雕刻加工、快速高精度全彩色三维地形模型喷墨、地形保障系统一体化设计等核心技术，实现支持多种侦察数据格式的高精度的彩色三维地形沙盘。

3.技术现状及趋势

3.1地形数据来源与数据格式

地形数据来源于多种传感器采集的多源数据，包括航天航空遥感数据、地面测量数据等。其中成像卫星主要包括：国产的“高分”“资源”“北京”“吉林”系列卫星，国外的“QuickBird”“IKNOS”“Landsat”“Spot”“OrbView”“RapidEye”“Skybox”“Pleiades”等系列商业遥感卫星。其传感器按照类型可分光学传感器和雷达传感器，光学传感器又可分为全色、真彩色、红外、多光谱、高光谱等，地面分辨率从亚米级到数十米。而国内的“资源三号”和国外的“ALOS”立体测绘卫星，可以利用立体测绘获取的遥感数据通过摄影测量方法，得到最新的地形数据。机载三维成像仪可通过航空遥感平台获取地面三维信息。传统的地面测量方法，可获得相对精度更高的地面三维数据，但人工参与程度高，效率较低。

3.2三维地形沙盘模型数据生成

三维地形沙盘模型由遥感立体像对数据重建而成。人类在观察物体时，左眼看左像，右眼看右像，也即“分像”，是人造立体视觉产生的主要方法。而立体像对是指在两摄站点对同一地面景物摄取有一定影像重叠的两张像片，模仿人类视觉，重建地面物体的三维模型，并对该模型进行量测，得到模型的地形地貌信息，生成数字高程模型（DEM）、数字表面模型（DSM）数据。遥感图像与数字地形高程数据结合，可以形成三维地面可视图等。

3.3全真地形模型加工

全真地形模型加工，需要多种技术整合在一起，需要电子、通信、光学、机械、材料、计算机等多种技术结合。将数字信息处理系统、高精度三束（激光束、电子束、等离子束）3D扫描系统和激光熔敷加工、柔性气象液团固融浸润发散功能集中在同一平台上运作；通过3D技术的扩展、设备的融合能力和遥感数据开放性以及网络的虚拟化能力等多方面技术的综合开发，确保重建三维场景彩色大幅面快速成型。

3.4与传统制作技术对比

3D打印技术需要有三维设计草图，传统三维实体模型制作是要拿到平面设计草图，制作公司要将设计草图仔细研究明白。

3D打印技术需要建模师根据三维设计草图进行修模，根据草图复杂程度，修改耗时大约为1天；传统三维实体模型制作要进行调色、喷漆、雕刻几个步骤，周期大约5～7天。

3D打印技术需要将修改后的三维模型交付3d打印机打印，按照要求比例一体成型；传统模型制作需要雕刻、结构设计、板块分解、模块组合、粘接等多个复杂流程。

3D打印技术可根据模型大小及布置图纸定制展台，购买布置所需景观。

沙盘最终成型时，需将建筑物单体、园林景观、道路、设备设施等按位置固定好，传统制作方式需要人工完成，3D打印技术只需打印机几分钟打印出来即可，规范美观。

制作费用及耗时，3D打印技术制作的费用为传统制作方式的一半，耗时为6天，传统制作为1.5～3个月。

4.总结

从上可以看出，利用3D打印技术制作的三维实体模型周期短、费用低、精度高，较传统三维实体模型制作有不可比拟的优势，所以3D打印技术制作三维实体模型必将是一大发展趋势。

传统三维实体模型制作需要首先制作平面线框草图，并根据比例设计结构细节，再进行板块分解，并按要求补充沙盘细节部件，发送到雕刻机雕刻出所有PVC板块，再拼装粘合起来。整个制作周期通常在1.5～3个月。 采用3D打印技术制作三维实体模型的步骤则简略得多，只需要拿到3D设计草图，由建模师修模，然后交付3D打印机打印制作就完成了，完全省略了冗长的拼装粘合过程，也避免了各版块出现比例误差或错误的可能。

（作者单位：中国人民大学附属中学）

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1671-0134（2016）10-054-02

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