利用3D打印机技术表达调查信息

在过去的几年里，三维打印已经取得了巨大的进步，并在各个行业产生了影响。3D打印的多功能性可以融入任何有某种形式的三维设计的行业。一个令人兴奋的应用是通过测量技术对点云建模，从而创建用于可视化和通信的三维缩放模型。本文探索了一种使用3D打印技术的新媒体。

（由Andrew Ternes，墨尔本港和Dakin University，澳大利亚迪肯·Ierodiaconou博士）

在过去的几年里，无论是多波束回声测深仪在水文测量中，激光扫描在陆地和水深测量中，还是通过航空测量的摄影测量，三维数据采集的各种形式的测量都取得了巨大的进步。三维数据捕获技术以点云的形式产生大量的信息，可以从中提取有用的信息。这些信息通常以计算机辅助绘图(CAD)、图表、二维半数字格式的形式转换为二维格式，用于可视化或分析，从而衍生出诸如地形指标等次级产品。

为了传达三维形式的动画片，采用不同的技术，包括颜色梯度，轮廓，浮雕或太阳阴影，以显示深度的变化和倾斜角度而不是典型的正交视图。这些技术通常不会被空间专业人员误解，但非空间个人可能难以理解。颜色梯度具有不同颜色表示的各种升高，这可能难以解释，特别是如果尚未提供图例。阴影浮雕或阴影可以向观看者提供额外的信息，但已知已经引起光学幻觉，其中凹陷可以升高，反之亦然。从集合透视图中使用倾斜角度可以显示形式，但可以根据信息的复杂性隐藏感兴趣的点。倾斜角度通常是静态图像或显示为可以在计算机上导航的数字模型，其中屏幕仍然是二维的。

使用多个开源软件，为GIS、点云操作和3D建模和动画设计;由墨尔本港公司和迪肯大学收集的数据集被设计成3D模型，然后发送给3D打印服务提供商。
在最初的学习阶段，需要学习各种软件程序，以便将点云数据处理成适合打印的3D模型。点云要么变成一个表面作为数字地形模型(DTM)或三角形不规则网络(TIN)。一个表面不能单独打印，因为它太薄了，无法通过3D打印机打印，所以使用一个3D多边形或立方体来包围表面。然后使用布尔逻辑将表面用作一个相交平面，表面以上的东西被删除，而表面以下的东西被保留，导致表面的印象在3D多边形的顶部，同时留下一个平坦的基础，以方便显示。模型区域的正交照片或图像可以通过包裹模型并提供上下文信息来应用纹理(图1)。

要考虑创建数据集以进行3D打印的重要点

为您的预期目的和相关材料选择右3D打印机，其可以因塑料而变化与环氧树脂的彩色编码层状沙子。您在本文中看到的型号已使用使用“全彩色砂岩”的型号3D打印服务打印。选择该材料的耐用性及其显示多种颜色的能力。在打印3D的模型时，需要考虑打印机的功能。例如，这里所示模型的最大打印机尺寸为250×380×200毫米，分辨率为0.4毫米，但可以通过使用的打印机类型和材料而变化。这会影响模型的缩放到打印机尺寸以及您将在最终打印中看到的详细程度。如果尝试建模大面积，可能需要将数据集重新采样到较粗糙分辨率。Eliza Ramsden的模型以0.25米的分辨率为0.25米，面积为5,577M2（图2），而菲利普港头部以20米建模，面积为93km2（图3）。在我们的情况下，模型必须符合打印机提供商接受的文件格式，并限制在64MB或100万多边形的文件大小。在尝试平衡地形尺寸和细节时，100万多边形限制可能是有问题的。 For coloured prints we found the best formats to use to be VRML and X3D, whilst for non-colour prints STL, OBJ and Collada were appropriate but likely to vary according to format requirements by print services.

另一个明显的问题与应用颜色有关。使用调查区域的正交地球仪捕获颜色，其中一些模型具有遮蔽空中摄影而不是沐浴色调。使用开源3D动画程序使用称为uv包装的过程在高度模型上覆盖地球仪。没有一个程序可以处理创建3D打印的所有进程，因此是多个程序的组合，所有这些程序都具有不同的预期目的。希望在未来的调查软件中可以为标准3D打印格式的软件的未来版本采用一些格式和功能。

该方法已被应用于多波束测深、无人机捕获的摄影测量和DSM模型、地面和测深激光雷达数据以及卫星导出的高程数据，或作为单个数据集，或多个数据集组合形成一个综合模型。最终的模型不仅限于3D打印，而且已经被用于其他3D虚拟观看媒体，并显示出作为快速发展的增强现实领域的通信工具的前景。Augment网站和手机应用程序允许上传和共享模型。跟踪器可以是一个定制的信息表，其中可以包括公司的标志或简单的QR码。当应用程序在你的设备上运行时，它读取QR码或独特的布局，并将3D模型覆盖在摄像机视图上，允许用户浏览模型(图4)。

来自维多利亚州Warrnambool的迪肯大学生命与环境科学学院的Ierodiaconou博士一直在探索3D打印模型作为交流工具的价值(图5和图6)。他发现3D打印产品在交流环境价值方面有直接的好处。这包括在澳大利亚鸟类基金会资助下，在筑巢海滩上定义濒危的兜帽千鸟栖息地的低成本无人机的应用。第一个模型(图5)显示了海滩表面的风暴切面，同时使用RTK GPS (Real Time Kinematic GPS)提供与基准相关联的定量光谱和高程数据。时间序列分析可以调查管理干预措施，如喷洒入侵的马拉姆草，这与移动沙丘的稳定和海滩表面的陡峭有关。第二个模型(图6)显示了陆地图像和高程与避难湾(Refuge Cove)高分辨率海底测绘数据(10cm分辨率)的集成，避难湾是澳大利亚大陆最南端东海岸的一个受欢迎的锚地。该项目由Parks Victoria资助，多波束声纳数据是由安装在Deakin的9200万科考船yola上的Kongsberg 2040C捕获的。“我们发现，这是一种传达海洋生态系统价值的惊人方式，表明了与陆地领域的直接联系，岬角的延续、被淹没的海岸和来自较低海平面的河流特征。”

墨尔本港口公司在赞助的活动和节日中使用这些模型，公众的反应总是积极的。“展示总是比讲述更有效，特别是当讨论一些通常无法看到的东西时，3D模型在这方面是非常有效的参与工具。这些3D模型可以提供直接的空间浮雕感，通过制图技术，尤其是与非空间专业人员交流时，可以减少解释或误解。”同时三维飞行次数总是在科学传播(见一个例子从威尔逊士海角海洋国家公园)新的沟通媒介提供了令人兴奋的机遇在困难是否打印,你可以感觉空间域的纹理或增强现实的身临其境的体验无限的领域的观点。

视频

Wilsons海角海洋国家公园

安德鲁燕鸥他是墨尔本港公司的一名航道测量师，在过去的12年里，他承担了单波束、多波束、侧扫描和地震数据收集工作，以支持航道维护。Ternes先生于2003年毕业于皇家墨尔本理工学院(Royal Melbourne Institute of Technology)的测量学(BSc)专业，并于2007年在新西兰达尼丁的奥塔哥大学(University of Otago)获得水域测量学(a类)研究生文凭。
电子邮件:Andrew.ternes@portofmelbourne.com.

博士丹尼尔Ierodiaconou她是维多利亚瓦南布尔迪肯大学的高级讲师。他是一名海洋生态学家，对多学科和多标量的栖息地测绘方法感兴趣，整合遥感地球物理和生物数据集。他对在生态和地质时间尺度上影响海洋和沿海生态系统生物地理格局的物理和生物过程感兴趣。
电子邮件:daniel.ierodiaconou@deakin.edu.au

本文最初发表在2016年5 - 6月的《国际水电》杂志上。