3D數(shù)字掃描—3D數(shù)字重建—3D打印技術(shù)在地質(zhì)工程教學(xué)中的應(yīng)用

王建秀 劉笑天 居哲超 殷堯 吳林波 劉琦 楊坪

摘要：在地質(zhì)工程教學(xué)中，需要講授地質(zhì)體的三維形態(tài)與結(jié)構(gòu)特征，而傳統(tǒng)的語言描述、圖片展示、錄影介紹不夠直觀明了。為充分滿足課堂直觀教學(xué)需求，基于3D數(shù)字掃描、3D數(shù)字重建、3D打印技術(shù)，對(duì)野外地質(zhì)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描、重建和打印，用重建的3D數(shù)字模型和3D打印模型表征野外地質(zhì)體，用于課堂教學(xué)的實(shí)體展示。

關(guān)鍵詞：3D數(shù)字掃描技術(shù);3D數(shù)字重建技術(shù);3D打印技術(shù);地質(zhì)工程教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2016）42-0160-02

一、引言

地質(zhì)工程教學(xué)中，需要講授地質(zhì)體的三維特征及所處的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境。以往教學(xué)中，采用傳統(tǒng)的語言描述、圖片展示、錄影介紹傳遞相關(guān)信息，不夠直觀明了。為滿足課堂直觀教學(xué)需求，需使用實(shí)體模型。而傳統(tǒng)的實(shí)體教學(xué)模型采用廠家定制的笨重的木制或者塑料制品，只能教師展示，無法讓每個(gè)同學(xué)都近距離觀看和仔細(xì)鑒定，攜帶不方便，可更新性差。

本文將3D數(shù)字掃描、3D數(shù)字重建和3D打印技術(shù)相結(jié)合的“逆向工程”方法引入地質(zhì)工程教學(xué)。在野外工作中，用便攜式3D掃描儀采集野外巖體、小規(guī)模斷層、褶皺等的三維形貌點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在三維建模軟件中對(duì)其進(jìn)行3D數(shù)字化重建，然后采用3D打印技術(shù)，按比例縮小批量打印出相關(guān)的實(shí)體模型，將教師展示的笨重模型轉(zhuǎn)化為每個(gè)同學(xué)手中使用的輕巧的小比尺模型，對(duì)于提高教學(xué)效率、實(shí)現(xiàn)參與式教學(xué)具有重要意義。

二、地質(zhì)體三維信息的3D數(shù)字掃描

佘山位于上海市西南30公里處，基巖由12座山丘組成，呈北東-南西向延伸。山體以花崗斑巖、花崗閃長巖等淺層侵入巖體為主，本地區(qū)斷裂構(gòu)造基本屬于壓性和壓扭性，其展布方向大致可歸納為30—35°/NE，295—300°/NW以及335—345°/NW三組[1]。對(duì)上海市佘山地區(qū)巖體開展了地質(zhì)體結(jié)構(gòu)的3D掃描工作。采用廣州立鑄電子科技有限公司生產(chǎn)的K100型手持式非接觸被迫式結(jié)構(gòu)光掃描儀。該掃描儀采用投影光柵技術(shù)、相位測量技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的三維非接觸式測量方式。利用手持式3D掃描儀獲取空間坐標(biāo)、顏色信息，并在Skanect軟件中對(duì)掃描影響進(jìn)行預(yù)處理，通過修正、降噪、著色等方法建立巖體結(jié)構(gòu)3D掃描模型。得到3D掃描模型通過著色處理后與天然巖體達(dá)到較高的吻合度（圖1），巖體結(jié)構(gòu)特征可以清晰展現(xiàn)。

三、地質(zhì)體三維信息的3D數(shù)字重建與3D打印

“逆向工程”原本指產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)再現(xiàn)過程，即對(duì)一項(xiàng)目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行逆向分析及研究，從而演繹并得出該產(chǎn)品的處理流程、組織結(jié)構(gòu)、功能特性及技術(shù)規(guī)格等設(shè)計(jì)要素，以制作出功能相近，但又不完全一樣的產(chǎn)品[2]。對(duì)于地質(zhì)體結(jié)構(gòu)而言，不同于基于巖體結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)分析建立的3D巖體結(jié)構(gòu)模型，地質(zhì)體結(jié)構(gòu)的“逆向”重建是基于逆向工程原理，采用3D掃描技術(shù)逆向獲取巖體結(jié)構(gòu)，利用3D數(shù)字建模技術(shù)與3D打印技術(shù)重建3D數(shù)字模型與3D實(shí)體模型，也是巖體結(jié)構(gòu)研究的一種新手段。

利用Skanect軟件處理得到的3D數(shù)字模型僅為初步處理模型，要想實(shí)現(xiàn)巖體結(jié)構(gòu)分析及精細(xì)化描述必須利用專業(yè)3D數(shù)字建模軟件對(duì)其開展進(jìn)一步處理，常用軟件包括Geomagic Studio、3ds Studio Max、Rhino等。本文主要采用Geomagic Studio與3ds Studio Max聯(lián)合建模，通過對(duì)掃描碎片進(jìn)行剝離、切除，對(duì)掃描空洞區(qū)進(jìn)行填補(bǔ)、重建，最終形成完整3D數(shù)字模型[圖2（b）]。將3D數(shù)字模型通過Cura軟件進(jìn)行三維打印分層級(jí)切片處理和支撐網(wǎng)格劃分，通過賦予打印控制參數(shù)生成可用于打印的gcode控制文件[圖2（c）]。

采用荷蘭Ultimaker開源技術(shù)生產(chǎn)3D打印機(jī)打印巖體結(jié)構(gòu)實(shí)體模型。根據(jù)三維實(shí)體模型水平剖解二維面層信息，利用聚乳酸（PLA）材料在水平方向進(jìn)行選擇性涂覆打印，形成單層切片模型，然后通過逐步改變豎直坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)多層堆積打印將切片模型堆積成為三維實(shí)體模型[圖2（d）]。

利用逆向工程原理除了一般局部巖體結(jié)構(gòu)分析外，還可用于隧道開挖輪廓的3D重建分析。采集隧道斷面數(shù)據(jù)和巖體結(jié)構(gòu)3D掃描數(shù)據(jù)生成點(diǎn)海量數(shù)據(jù)點(diǎn)云，采用Geomagic Studio、3ds Studio Max、Rhino等軟件對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行分析并利用三角網(wǎng)格進(jìn)行拓?fù)渲亟ǎòɑ贒elaunay的方法、隱函數(shù)法和區(qū)域增長法）。數(shù)據(jù)點(diǎn)云重建并著色后形成隧道圍巖結(jié)構(gòu)3D數(shù)字模型（圖3），最后通過3D打印技術(shù)生成隧道圍巖實(shí)體模型（圖4）。

四、在地質(zhì)工程教學(xué)中的應(yīng)用

在研究工作中，本科生采用參加認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)的方法，參與相關(guān)的3D掃描、3D重建、3D打印工程。生成的各種實(shí)體模型用于課堂直觀的實(shí)體展示。目前，已在地質(zhì)工程傳統(tǒng)野外實(shí)踐教學(xué)中增加巖體結(jié)構(gòu)3D掃描與數(shù)字重建環(huán)節(jié)，讓學(xué)生自己動(dòng)手對(duì)教學(xué)對(duì)象開展野外巖體結(jié)構(gòu)3D掃描及3D數(shù)字重建。在傳統(tǒng)的節(jié)理素描、極射赤平投影、玫瑰花統(tǒng)計(jì)等巖體結(jié)構(gòu)分析方法中融入新技術(shù)，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)于巖體結(jié)構(gòu)的理解。

五、結(jié)束語

基于“逆向工程”原理，采用3D掃描技術(shù)對(duì)天然巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，建立3D掃描模型。通過Geomagic Studio、3ds Studio Max等軟件重建巖體結(jié)構(gòu)3D數(shù)字模型。采用Cure軟件對(duì)3D數(shù)字模型進(jìn)行支撐網(wǎng)格劃分和切片處理，并賦予打印控制參數(shù)，生成能夠被3D打印機(jī)識(shí)別的geode控制文件。最后利用荷蘭Ultimaker開源技術(shù)3D打印機(jī)生成實(shí)體模型，用于課堂直觀的實(shí)體展示，為提升課堂教學(xué)效果提供了新的方法和手段。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳奕貴，周積元，周振國.上海佘山地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及巖石力學(xué)[J].上海地質(zhì)，1984，（2）：15-16.

[2]張曉陽.逆向工程技術(shù)研究現(xiàn)狀及其在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].東方文化周刊，2014，（11）：168.

Application of 3D Scan - 3D Digital Reconstruction - 3D Printing Technology in Geological Engineering Teaching

WANG Jian-xiu，LIU Xiao-tian，JU Zhe-chao，YIN Yao，WU Lin-bo，LIU Qi，YANG Ping

（College of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China）

Abatract：Geological engineering teachings include three-dimensional morphological and structure characteristics of geologic body.However，the traditional teaching methods，such as language description，image display，video introduces，can`t match with current demand.3D scan，3D digital reconstruction and 3D printing technologies are introduced to rebuild geologic bodys digital model and print entity model used in class.

Key words：3D scan;3D digital reconstruction;3D printing;Geological engineering teaching