3D数字扫描一3D数字重建一3D打印技术在地质工程教学中的应用摘要：在地质工程教学中，需要讲授地质体的三维形态与结构特征，而传统的语言描述、图片展示、录影介绍不够直观明了。为充分满足课堂直观教学需求，基于3D数字扫描、3D数字重建、3D打印技术，对野外地质体结构进行扫描、重建和打印，用重建的3D数字模型和3D打印模型表征野外地质体，用于课堂教学的实体展示。关键词：3D数字扫描技术;3D数字重建技术;3D打印技术;地质工程教学：G642.0文献标志码：A：1674-9324(2016)42-0160-02一引言地质工程教学中，需要讲授地质体的三维特征及所处的地质构造环境。以往教学中，采用传统的语言描述、图片展示、录影介绍传递相关信息，不够直观明了。为满足课堂直观教学需求，需使用实体模型。而传统的实体教学模型采用厂家定制的笨重的木制或者塑料制品，只能教师展示，无法让每个同学都近距离观看和仔细鉴定，携带不方便，可更新性差。本文将3D数字扫描、3D数字重建和3D打印技术相结合的“逆向工程”方法引入地质工程教学。在野外工作中，用便携式3D扫描仪采集野外岩体、小规模断层、褶皱等的三维形貌点云数据，在三维建模软件中对其进行3D数字化重建，然后采用3D打印技术，按比例缩小批量打印出相关的实体模型，将教师展示的笨重模型转化为每个同学手中使用的轻巧的小比尺模型，对于提高教学效率、实现参与式教学具有重要意义。、地质体三维信息的3D数字扫描佘山位于上海市西南30公里处，基岩由12座山丘组成，呈北东-南西向延伸。山体以花岗斑岩、花岗闪长岩等浅层侵入岩体为主，本地区断裂构造基本属于压性和压扭性，其展布方向大致可归纳为30—35°/NE,295-300°/NW以及335—345°/NW三组［1］。对上海市佘山地区岩体开展了地质体结构的3D扫描工作。采用广州立铸电子科技有限公司生产的K100型手持式非接触被迫式结构光扫描仪。该扫描仪采用投影光栅技术、相位测量技术、计算机视觉技术的三维非接触式测量方式。利用手持式3D扫描仪获取空间坐标、颜色信息，并在Skanect软件中对扫描影响进行预处理，通过修正、降噪、着色等方法建立岩体结构3D扫描模型。得到3D扫描模型通过着色处理后与天然岩体达到较高的吻合度（图1），岩体结构特征可以清晰展现。三、地质体三维信息的3D数字重建与3D打印“逆向工程”原本指产品设计技术再现过程，即对一项目标产品进行逆向分析及研究，从而演绎并得出该产品的处理流程、组织结构、功能特性及技术规格等设计要素，以制作出功能相近，但又不完全一样的产品［2］。对于地质体结构而言，不同于基于岩体结构统计分析建立的3D岩体结构模型，地质体结构的“逆向”重建是基于逆向工程原理，采用3D扫描技术逆向获取岩体结构，利用3D数字建模技术与3D打印技术重建3D数字模型与3D实体模型，也是岩体结构研究的一种新手段。利用Skanect软件处理得到的3D数字模型仅为初步处理模型，要想实现岩体结构分析及精细化描述必须利用专业3D数字建模软件对其开展进一步处理，常用软件包括GeomagicStudio、3dsStudioMax、Rhino等。本文主要采用GeomagicStudio与3dsStudioMax联合建模，通过对扫描碎片进行剥离、切除，对扫描空洞区进行填补、重建，最终形成完整3D数字模型［图2(b)］。将3D数字模型通过Cura软件进行三维打印分层级切片处理和支撑网格划分，通过赋予打印控制参数生成可用于打印的geode控制文件［图2（c）］。采用荷兰Ultimaker开源技术生产3D打印机打印岩体结构实体模型。根据三维实体模型水平剖解二维面层信息，利用聚乳酸（PLA）材料在水平方向进行选择性涂覆打印，形成单层切片模型，然后通过逐步改变竖直坐标实现多层堆积打印将切片模型堆积成为三维实体模型［图2（d）］。利用逆向工程原理除了一般局部岩体结构分析外，还可用于隧道开挖轮廓的3D重建分析。采集隧道断面数据和岩体结构3D扫描数据生成点海量数据点云，采用GeomagicStudio、3dsStudioMax、Rhino等软件对数据点云进行分析并利用三角网格进行拓扑重建（包括基于Delaunay的方法、隐函数法和区域增长法）。数据点云重建并着色后形成隧道围岩结构3D数字模型（图3），最后通过3D打印技术生成隧道围...