2015数学建模竞赛优秀论文.pdf
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太太太阳阳阳影影影子子子定定定位位位
摘摘摘要要要
本文通过分析影响立杆影长的相关参数的变化,建立了时间、太阳位置和影子轨迹关系
的数学模型,探究了影子变化的影响因素,以及通过影子变化如何确定拍摄时间和地点。
针对问题,我们利用太阳高度角的定义及太阳高度角的大小跟赤纬角、时角、当
地纬度相关,建立了影长关于太阳高度角、杆长、日期这三个因素变化的模型。然后依
据题目给定的参数利用得到影长,并进行检验。结果显示年月 日当天北
京时间之间天安门广场上一根米高的竿子在分时取到最短影长为米,
在 :时取到最长影长为米。
针对问题,根据影子的坐标,求出观测地地点的经纬度。对于经度,我们运用最
小二乘法拟合影子长度关于时间的函数,求出函数最小值点,即是观测地正午时间。
再根据观测地和北京的时差,计算出观测地的经度。经计算和检验得出当地经度为东
经度分秒。对于纬度,我们建立了太阳高度角关于当地纬度和日期变化的模型,再
根据附件的日期确定太阳直射点的纬度,用求解得到纬度为北纬度分秒。
根据得出的经纬度利用 定位得拍摄地点可能为海南。
针对问题,没有给出拍摄时间。对于经度,根据影长求解的方法同问题,得
到附件和附件的经度分别为东经度分秒、西经度分秒。对于纬度,利
用计算出对应不同日期的附件时间段内的影子长度数组,与附件、 中的已有影长
数组进行比对,差异最小的所对应的时间既是拍摄日期。继而根据日期确定拍摄地的纬度。
从而确定拍摄地点和日期。
针对问题,我们利用图像长度读取软件来获取视频中影子的长度,拟合出影子长度关
于时间的函数,从而确定正午时刻并计算出拍摄地的经度。再根据竿长米,确定正午太阳
高度角,进而计算出当地纬度并进行检验。我们得到经度为东经度分秒,纬度为北
纬度分秒,可能的拍摄地点是呼和浩特。
关关关键键键词词词 日影运动,太阳影子定位,拟合
问问问题题题重重重述述述
太阳影子定位技术是通过分析视频中物体的影子变化,从而确定视频的拍摄时间和地
点。影子变化的根本原因在于地球的公转和自转,已知太阳光是沿直线传播,地球公转的运
动轨迹和地球赤道有一个夹角,因此不同地区的太阳直射点不同。在同一时刻,不同地区的
物体影子变化也是不一样的。而确定拍摄地点和拍摄日期是视频数据分析的重要方面,在实
际生活中应用广泛。因此,建立一个太阳影子定位模型对于解决实际问题是非常必要的。
问题:给定某个日期、天安门广场的经纬度和北京时间的某个时间段,要求建立影子
长度变化模型,分析影子长度和各个参数的变化规律,并且应用此模型来画出米高的直杆
的太阳影子长度的变化曲线。
问题:要求根据某固定直杆在水平地面上的太阳影子顶点坐标,建立数学模型确定直
杆所处的地点。并将所建立的模型应用于附件的影子顶点坐标数据,给出若干可能的地
点。
问题 :根据某固定直杆在水平地面上的太阳影子顶点坐标,要求建立数学模型确定直
杆所处的地点和日期。并将所建立的模型分别应用于附件和附件的影子顶点坐标数据,给
出若干个可能的地点和日期。
问题 :要求建立确定视频拍摄地点的数学模型,并将建立的数学模型应用于附件 (附
件为一根直杆在太阳下的影子变化的视频,并且已通过某种方式估计出直杆的高度
为米),给出若干个可能的拍摄地点;如果在拍摄日期未知的情况下,根据视频确定出拍
摄地点与日期。
问问问题题题分分分析析析
问题一分析:题目要求我们探究影响影子长度变化的参数,并研究其变化规律。首先应
该从“立杆成影”的原理出发讨论影子形成的原因,显然由于地球的自转和公转造成影子的
变化。所以影响影子的主要参数应该是时间,立杆位置,立杆长度,从而建立影长与经纬
度,时间日期,竿长之间的线性关系,判断变化规律。
问题二分析:要求我们根据未知长度的直杆在水平面上太阳影子的顶点坐标数据求得立
杆所在经纬度。我们知道经度和时间有关,求出拍摄地的时间就可以得到经度。显然通过一
系列影子坐标可以拟合函数得到正午时刻,在通过时差求出经度。至于纬度,纬度和太阳高
度角以及方位角有关,可以建立方程求出纬度。
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