利用太阳影子的定位技术

-.z.2014高教社杯全国大学生数学建模竞赛承诺书我们仔细阅读了"全国大学生数学建模竞赛章程"和"全国大学生数学建模竞赛参赛规则"〔以下简称为“竞赛章程和参赛规则〞，可从全国大学生数学建模竞赛下载〕。我们完全明白，在竞赛开场后参赛队员不能以任何方式〔包括、电子、网上咨询等〕与队外的任何人〔包括指导教师〕研究、讨论与赛题有关的问题。我们知道，抄袭别人的成果是违反竞赛章程和参赛规则的，如果引用别人的成果或其他公开的资料〔包括网上查到的资料〕，必须按照规定的参考文献的表述方式在正文引用处和参考文献中明确列出。我们重承诺，严格遵守竞赛章程和参赛规则，以保证竞赛的公正、公平性。如有违反竞赛章程和参赛规则的行为，我们将受到严肃处理。我们授权全国大学生数学建模竞赛组委会，可将我们的论文以任何形式进展公开展示〔包括进展网上公示，在书籍、期刊和其他媒体进展正式或非正式发表等〕。我们参赛选择的题号是〔从A/B/C/D中选择一项填写〕：A我们的报名参赛队号为〔8位数字组成的编号〕：3所属学校〔请填写完整的全名〕：空军勤务学院参赛队员(打印并签名)：1.2.3.指导教师或指导教师组负责人(打印并签名)：〔论文纸质版与电子版中的以上信息必须一致，只是电子版中无需签名。以上容请仔细核对，提交后将不再允许做任何修改。如填写错误，论文可能被取消评奖资格。〕日期：2015年9月13日赛区评阅编号〔由赛区组委会评阅前进展编号〕：2014高教社杯全国大学生数学建模竞赛编号专用页赛区评阅编号〔由赛区组委会评阅前进展编号〕：赛区评阅记录〔可供赛区评阅时使用〕：评阅人评分备注全国统一编号〔由赛区组委会送交全国前编号〕：全国评阅编号〔由全国组委会评阅前进展编号〕：-.z.太阳影子定位摘要本文针对如何通过分析视频中物体的太阳影子变化，太阳影子定位技术，确定视频的拍摄地点和拍摄日期的方法为背景，提出了四个问题，并且利用二元非线性模型，三角函数和最小二乘法，同时借助matlab，成功建立了通过太阳影子位置确定地理经纬度的模型。通过代入1、2、3的数据，并利用Photoshop获取4视频中截图的数据，求解出了各个问题中的测量点地理经纬度。针对问题一，在经纬度，时间的条件下，我们可以得到太阳的高度角。对于地球上的*个地点，太阳高度角是指*地太线与通过该地与地心相连的地表切线的夹角〔如图1〕。杆的高度乘以太阳高度角的余切，可以得到影子长度变化的数学模型。最后代入数据求得，利用MATLAB可以获得2015年10月22日时间9:00-15:00之间天安门广场3米高的直杆的太阳影子长度的变化曲线。〔如图3〕。针对问题二，在测量时刻的日期，时间和影子的直角坐标的情况下，我们可以直接求得太阳赤纬角，方位角，影长。我们对1的数据处理之后，通过对影长和方位角用最小二乘法拟合，得到拟合函数。通过拟合函数求得正午时刻的影长，即函数图像最低点时的方位角和影长〔如图4、5〕。由正午时刻的太阳高度角计算的特殊性将公式化简为QUOTE，代入数据求得纬度。再根据当地时刻在正午12:00时的时间，求得经度。针对问题三，通过对第二问的求得的地理经纬度，将二*一组数据反带求得杆长L，利用影长和杆长求得高度角。再次利用第二问的方法，拟合影长和高度角〔如图6、7〕，联立三个方程就可以解出纬度QUOTE，赤纬角QUOTE，以及时角t。利用时角t和求得当地时间，和时间的差求出经度；利用赤纬角求出测量时刻的日期。针对问题四，在日期的情况下，对4视频中随机取17截图〔尽量时间间隔均匀〕，利用Photoshop的标尺工具测量截图中的杆长度和影子长度〔如图8〕，且杆2米，由等比例对照得到不同时刻影长的数据〔如表1〕，对数据进展拟合得出正午时刻的影长〔如图9〕。将拍摄日期，影长代入问题三的模型当中，对模型求解得到纬度。由当地时间和时间的差值求得经度。在未知日期的情况下，由视频截图可知此时为早晨，太阳在东侧，则摄影机位置大概是在杆的北侧，故由Photoshop测量可得太阳方位角大致是264.6°。由方程组可以求得纬度和赤纬角，再通过赤纬角求得日期，通过当地时间求得经度。关键词：影子定位二元非线性方程拟合函数等比例对照一．问题重述如何确定视频的拍摄地点和拍摄日期是视频数据分析的重要方面，太阳影子定位技术就是通过分析视频中物体的太阳影子变化，确定视频拍摄的地点和日期的一种方法。1.建立影子长度变化的数学模型，分析影子长度关于各个参数的变化规律，并应用你们建立的模型画出2015年10月22日时间9:00-15:00之长度的变化曲线。间天安门广场〔北纬39度54分26秒,东经116度23分29秒〕3米高的直杆的太阳影子2.根据*固定直杆在水平地面上的太阳影子顶点坐标数据，建立数学模型确定直杆所处的地点。将你们的模型应用于1的影子顶点坐标数据，给出假设干个可能的地点。3.根据*固定直杆在水平地面上的太阳影子顶点坐标数据，建立数学模型确定直杆所处的地点和日期。将你们的模型分别应用于2和3的影子顶点坐标数据，给出假设干个可能的地点与日期。4．4为一根直杆在太阳下的影子变化的视频，并且已通过*种方式估计出直杆的高度为2米。请建立确定视频拍摄地点的数学模型，并应用你们的模型给出假设干个可能的拍摄地点。如果拍摄日期未知，你能否根据视频确定出拍摄地点与日期？二．模型假设1.忽略海拔，地面平整度的影响。2.忽略天气因素和大气对太的折射造成的影响。3.所研究的围不能太大，认为所研究地面为一平面。4.确定杆为直杆，铅直直立，且与当地地面垂直。5.因为视频中杆与影子距摄像机距离大致一样，所以忽略透视效果造成的测量误差。三．符号说明符号释义δ太阳的赤纬角，即太阳直射角纬度h太阳高度角，太的入射方向和地平面之间的夹角φ地理纬度地方时(时角)以QUOTE表示L确定直杆长度杆的影长M为两个地方的经度差H正午的太阳高度角四．问题分析太阳影子定位技术是根据不同地点，不同时刻，太阳在南回归线和北回归线之间运动到不同位置时从而来确定时间，利用物体的实际长度和影长之比算出太阳的高度差，从而确定其纬度，在此过程中近视的认为所研究的围为一平面，在问题一中，知道时间和经纬度，从而可以根据太阳的高度角得出影子长度；而问题二，为问题一的反求，利用MATLAB的数据拟合，因为地球在绕着太阳公转的同时还在自传，即为太阳的赤纬角，所以可认为影子的顶点的位置是以定杆位置为原点的函数，利用MATLAB的数据拟合可在误差允许的围拟合出这个函数的方程，从而确定极小致为正午十二点时的影长，利用太阳高度角的计算公式，得出纬度值，而经度则是根据和时差得出；问题三则是联立太阳高度角和太阳方位角公式得出赤纬角，从而得出时间，地点则与第二问的求法相似；问题四，拍摄日期时，在视频中利用Photoshop随机截图假设干，测量数据，利用问题二三的方法计算时间地点；未知拍摄日期时，先利用截图测量太阳方位角和高度角联立方程组求解出拍摄日期，然后照前述的方法求出地理位置。五．模型建立与求解5.1.问题一针对第一问，在经纬度，时间的条件下，我们可以得到太阳的高度角，即对于地球上的*个地点太阳高度角是指*地太线与通过该地与地心相连的地表切线的夹角。然后杆的高度除以太阳高度角的正切，得到影子长度随时间变化的函数方程。日升日落，同一地点一天太阳高度角是不断变化的。时角是以正午12点为0度开场算，每一小时为15度。即14点和10点分别为30度和-30度。日出日落时角度都为0。太阳高度角随着地方时和太阳的赤纬的变化而变化。太阳赤纬〔与太阳直射点纬度相等〕以δ表示，观测地地理纬度用φ表示〔太阳赤纬与地理纬度都是北纬为正，南纬为负〕，地方时(时角)以QUOTE表示，有太阳高度角的计算公式：sinh=sinφsinδ+cosφcosδcosQUOTEh〔图1〕〔图2〕上述式子中都涉及太阳赤纬，太阳赤纬的算法如下:由于太阳赤纬角在周年运动中任何时刻的具体值都是严格的，所以它(δ)也可以用表达式表述，即:QUOTE0.3723+23.2567sinθ+0.1149sin2θ-0.1712sin3θ-0.758cosθ+0.3656cos2θ+0.0201cos3θ式中θ称日角，即θ=2πT/365.2422这里T又由两局部组成，即T=N-N0式中N为积日，所谓积日，就是日期在年的顺序号，例如，1月1日其积日为1，平年12月31日的积日为365，闰年则为366，等等。N0=79.6764+0.2422×(年份-1985)-INT〔(年份-1985)/4〕(式中INT表示取整数局部，例如INT(3.25)=3)根据条件为10月22日，则t=295则根据公式θ=2QUOTEt/365.2422得到θ=5.0747QUOTE0.3723+23.2567sinθ+0.1149sin2θ-0.1712sin3θ-0.758cosθ+0.3656cos2θ+0.0201cos3θ=-22.0906根据纬度计算出φ=40.3333QUOTEsinh=sinφsinδ+cosφcosδcost=0.0482+0.8697cost所以sinh=0.0482+0.8697cost所以QUOTE==QUOTE由杆长的关系QUOTE所以可得影长的变化模型为：QUOTE=QUOTE=QUOTE=QUOTE借助MATLAB绘制出2015年10月22日时间9:00-15:00之长度的变化曲线。间天安门广场〔北纬39度54分26秒,东经116度23分29秒〕3米高的直杆的太阳影子顶点变化曲线图：〔图3〕5.2．问题二5.2.1模型的建立我们以杆与地面接触的点作为原点，穿过该点的纬线在该点处的水平切线作为*轴，与*轴垂直的地面切线作为Y轴建立直角坐标系。有1中的数据我们可以得出在*一时刻下的影子长度和此时的方位角。由影长，杆长可以求得太阳的高度角。我们由第一问可知，知道太阳赤纬角和地理纬度，加上当地时间就可以求得太阳高度角。现在我们知道了影长，赤纬角〔太阳直射点纬度〕，求杆长，地理纬度。所以我们将数据进展拟合估计出正午时影子长度以及正午时此刻的方位角，通过方程组联立求解杆长，地理纬度和当地时间，结合当地时间和时间的差值求得经度。由公式：QUOTEQUOTEQUOTE0.3723+23.2567sinθ+0.1149sin2θ-0.1712sin3θ-0.758cosθ+0.3656cos2θ+0.0201cos3θθ=2T/365.2422(T为日期)可知，在2015年4月14日时，QUOTE22.6571，太阳赤纬角sinδ=-0.6178。此时由太阳高度角的计算公式：sinh=sinφsinδ+cosφcosδcosQUOTE日升日落时，同一地点一天太阳高度角是不断变化的。日出日落角度都是0度，正午太阳高度角最大，正午时时角为0，以上计算公式可以简化为：其中，H表示正午太阳高度角。由两点和与差的三角函数公式，可得因此，对于北半球而言，；对于南半球而言，其中，QUOTE为当地纬度，QUOTE为太阳直射点的纬度，既赤纬角。QUOTE为纬度差如果QUOTE与QUOTE在同一半球，则纬度差为QUOTE，如果QUOTE与QUOTE在异半球，则纬度差为QUOTE，因为杆长未知，所以高度角可以表示为：故上式可化为根据太阳方位角的计算公式：其中A为正午时刻的方位角，将sinH代入可得：故只要用拟合出来的正午方位角，赤纬角就可以确定当地纬度QUOTE将当地纬度反代到计算出杆长L，由此得出高度角H，其中太阳高度角可以表示为QUOTE,当地时间QUOTE可表示为QUOTE+B,其中t为标准时间，A是当地与时间的时角差。最后，得出的方程为QUOTE=sinφsinδ+cosφcosδcos〔QUOTE+B〕;将杆长L与地理纬度QUOTE〖〗_||_D时角与时间的转化公式如下：QUOTE,QUOTE地球是自西向东自传的，东边比西边先看到太阳，东边的时间比西边的早。所以规定将全球划分24个时区，每个时区相差1个小时，也就是说1度相差4分钟，故可建立以下模型：其中QUOTE为待求地地方时，t为地地方时，M为两地之间的经度差。假设QUOTE>t则待求地在地的东向，既，地经度+M。假设QUOTE<t则待求地在地的西向，既地经度—M，其中为待求地经度，为地经度。5.2.2模型的求解现在将一的数据代入到该模型当中：根据将一的数据拟合，得到影长拟合函数：当函数图像最低点时，*=13.6，y=0.5476既正午的影长为0.5476;〔图4-1〕〔图4-2〕〔图4-3〕方位角拟合函数：〔图5-1〕〔图5-2〕〔图5-3〕当函数图像最低点时，*=13.6，y=1.8836,既tanA=1.8836,A=QUOTE代入模型：得到QUOTE将QUOTE代入计算出杆长L=1.7919m,代入下面模型，取一中时间15:00时的影长为1.3533=sin5.3sin22.66+cos5.3cos22.66cos〔QUOTE+B〕计算得到B=QUOTE则M=QUOTE因为为东经QUOTE所以待测地经度为东经QUOTE综上所示，直杆的地理经纬度为〔〕通过卫星地图确定在省。5.3问题三5.3.1模型的建立基于第二问我们知道除了需要确定直杆的地理位置外，还需要确定此时所处的日期，也就是说直杆所处的赤纬角是未知的，杆长，地理纬度，当地时间以及赤纬角，结合当地时间和时间的差值求得经度，根据赤纬角来确定当地日期，此时由太阳高度角的计算公式：sinh=sinφsinδ+cosφcosδcosQUOTE其中太阳高度角可以表示为QUOTE,当地时间QUOTE可表示为QUOTE+B,其中t为标准时间，B是当地与时间的时角差。最后，得出的方程为QUOTE=sinφsinδ+cosφcosδcos〔QUOTE+B〕;由第二问可以得出杆长L，所以由太阳方位角的计算公式：sinh=sinQUOTEsinδ+cosQUOTEcosδcosQUOTE其中高度角h可以由第二问的杆长以及此刻所具有的影长，QUOTE可以由此刻的时间确定，联立三个方程就可以解出纬度QUOTED_Dd______由公式：QUOTEQUOTEQUOTE0.3723+23.2567sinθ+0.1149sin2θ-0.1712sin3θ-0.758cosθ+0.3656cos2θ+0.0201cos3θθ=2T/365.2422(T为日期)就可以计算出当地日期时角与时间的转化公式如下：QUOTE,经度计算方法与第二问一样，即：地球是自西向东自传的，东边比西边先看到太阳，东边的时间比西边的早。所以规定将全球划分24个时区，每个时区相差1个小时，也就是说1度相差4分钟，故可建立以下模型：其中QUOTE为待求地地方时，t为地地方时，M为两地之间的经度差。假设QUOTE>t则待求地在地的东向，既，地经度+M。假设QUOTE<t则待求地在地的西向，既地经度—M，其中为待求地经度，为地经度5.3.2模型的求解首先将二的数据进展拟合：拟合后的影长拟合函数为：〔图6-1〕〔图6-2〕〔图6-3〕当函数图像在最低点时，*=14.43,y=0.7920拟合后的方位角拟合函数为;〔图7-1〕〔图7-2〕〔图7-3〕当函数图像在最低点时，*=14.43,y=-14.8716，既tanA=-14.8716取13:02时的影子长度为1..794将数据代入方程组：sinh=sinQUOTEsinδ+cosQUOTEcosδcosQUOTE解方程可得QUOTEQUOTE查表得到大约是5月22日经度计算得QUOTE综上所述地点为〔〕日期为5月22日将模型应用到三当中同理可得，地点为〔〕日期为7月13日5.4问题四5.4.1拍摄日期的情况针对第四问中的四影子与直杆的比例关系，利用Photoshop，可以测量出视频截图中影子的长度。根据等比例对照可得假设干组影长的数据。〔图8〕可得随机截得的17视频截图中的数据如下表：时间图上杆长图上影长实际影长时间图上杆长图上影长实际影长8-54-505.166.062.3488379-11-405.165.542.1472878-58-045.165.982.3178299-14-295.165.42.0930238-59-315.165.972.3139539-19-485.165.242.0310089-00-295.165.932.298459-21-595.165.1629-01-575.165.912.2906989-23-185.165.121.9844969-03-175.165.852.2674429-29-585.164.851.8798459-05-095.165.782.240319-32-325.164.811.8643419-08-485.165.612.1744199-33-585.164.761.8449619-34-265.164.741.837209〔表1〕通过与时间的拟合，估计出正午的影长，根据第二问中，正午太阳高度角最大，正午时时角为0，以上计算公式可以简化为：通过日期计算出赤纬角QUOTE，H为正午时的高度角，如此就可以计算出当地纬度选择*一时刻的影长来确定高度角h，将赤纬角，纬度以及高度角代入下面公式QUOTE=sinφsinδ+co