真彩色三维地形实体模型快速成型的关键技术研究

摘要

三维地形实体模型是以立体实物的方式对地理空间信息的可视化表达，能够为人们研究分析地形地貌和地理空间要素提供形象逼真、立体直观的三维立体信息。然而，传统的地形实体模型因制作速度慢、精度低等不足，已无法满足现代社会对测绘保障实时、精确、高效的要求。随着现代信息化和先进制造业的快速发展，数控自动化技术和快速成型技术已广泛应用于各领域的产品制造。近年来，有研究者针对先进制造和快速成型技术在GIS领域的应用做了相关的研究，为高精度、真彩色三维地形实体模型的制作提供了解决思路。因此，本文从三维地形制图综合、STL(Stereo Lithography)地形模型构建、纹理信息精准匹配以及地形实体模型的快速成型方法等方面，探讨了真彩色三维地形实体模型快速成型的关键技术。主要的内容及结果如下:
　　(1)基于多尺度DEM地形因子的空间自相关特征，结合地形实体模型快速成型的比例尺和成型精度，提出了一种面向地形实体模型快速成型的DEM地形化简方法。通过对不同地形因子的局部自相关性分析，根据不同的显著性所对应的地形特征，设定阈值选取地形特征点构建化简结果DEM。实验表明，该方法能够按照地形实体模型的应用需求，保持地形的结构特征和局部细节，解决了地形实体模型表面碎部太多、地理要素不分明和杂乱无章等问题。
　　(2)通过分析DEM数据和3D打印数据的数据结构，探讨了三维点云数据构建曲面模型的原理和相关算法，将简化后的DEM转换为高程点云数据，构建了三维地形STL表面模型的三角形网格曲面。并根据模型的设计需求和快速成型对模型数据的要求，对三维地形STL表面模型进行了进一步处理和优化，实现了基于DEM数据的三维地形实体模型的构建。
　　(3)为了评价方法的效果和实用性，通过不同材质和不同纹理数据组合，实现了两种真彩色三维地形实体模型的快速成型方法。首先，基于数控雕刻和三维立体喷绘技术，提出了一种真彩色地形实体模型的自动化制作方法，实现了地形模型和纹理信息的有效匹配;其次，基于3D打印技术，设计了真彩色地形实体模型的快速成型方法，实现了高精度、真彩色地形模型的快速成型。实验结果表明，两种方法均能适应高精度地形实体模型的快速构建和纹理信息的有效匹配，大幅度地提高了模型的精度，较好的表达了地形的结构特征和地理空间信息。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 真彩色地形实体模型的制作研究

1．2．2 快速成型(3D打印)技术在地理领域的应用研究

1．3 研究内容与论文组织结构

1．3．1 研究内容

1．3．2 论文组织结构

2 三维地形实体模型快速成型的相关理论

2．1 地形实体模型与DEM

2．1．1 地形实体模型

2．1．2 地形实体模型与DEM的差异

2．1．3 多尺度DEM地形简化技术

2．2 三维自动化制作技术

2．2．1 三维雕刻技术

2．2．2 三维立体喷绘技术

2．3 快速成型技术

2．3．1 快速成型技术的原理与特点

2．3．2 3D打印数据格式

2．4 本章小结

3 面向三维地形快速成型的DEM地形简化

3．1 三维地形快速成型对DEM数据的要求

3．2 基于地形因子空间自相关的DEM地形简化方法

3．2．1 地形因子的提取与分析

3．2．2 多尺度地形因子的空间自相关分析

3．2．3 阈值确定与DEM地形简化效果评价

3．3 本章小结

4 三维地形STL模型的构建方法

4．1 数据格式分析

4．1．1 DEM数据结构分析

4．1．2 3D数据格式的结构分析

4．2 DEM数据构建三维地形S'i'L模型的方法

4．2．1 原理与方法

4．2．2 三维地形STL表面建模方法

4．2．3 DEM数据的STL实体模型构建

4．3 STL地形模型的检查与修复

4．3．1 常见的错误类型

4．3．2 错误检查与修复

4．4 本章小结

5 真彩色地形实体模型的快速成型方法

5．1 真彩色地形实体模型的自动化制作方法

5．1．1 制作方法与工艺流程

5．1．2 模型设计与实现

5．1．3 实验结果与分析

5．2 真彩色地形实体模型的快速成型方法

5．2．1 制作方法与工艺流程

5．2．2 模型设计与实现

5．2．3 实验结果与分析

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果