2015数学建模A题太阳影子定位论文

1太阳影子定位摘要本文主要讨论分析并建立太阳影子定位的数学模型，利用所建模型及所给数据确定事件发生的位置，运用多种数学方法研究物体影子长度与当地经纬度、时间及日期之间的联系，具有一定的实际意义。主要利用MATLAB对数据进行分析和处理。针对问题一：利用日期求出当天太阳直射点的纬度，然后利用太阳直射点的纬度，当地的纬度及时角求出太阳高度角，由三角函数关系得直杆影子长度，利用MATLAB对所求数据曲线拟合构建影子长度变化模型，分析影子长度关于各个参数的变化规律。利用所求模型求出问题一中直杆的影子长度及其变化曲线见图5.1.3.3。针对问题二：建立时间与影子长度之间的模型，利用MATLAB曲线拟合并对求出的曲线函数分析，由时间差得出当地的经度。方法一根据相似三角形求出直杆高度，通过三角函数关系以及求太阳直射点纬度模型得直杆所在地的经纬度''''''1824107,4670东经北纬或''''''1824107,484420东经北纬。方法二利用太阳方位角和太阳高度角模型求出直杆所在地的经纬度''''''1824107,1628东经南纬。针对问题三：利用相似三角形求出直杆的长度，通过曲线拟合求出正午最短的影子长度，根据三角函数关系求出正午太阳高度角和太阳高度角的方程计算当地纬度和太阳直射点的纬度，再利用问题二构建的模型求经度，最后求出附件二直杆所在地的经纬度为（北纬''''''221668,485239东经），日期为5月24日，附件三直杆所在地的经纬度为（南纬'''151051，东经'''2519105），日期为3月24日。针对问题四：利用MATLAB对视频进行处理，求出任意时刻影子长度，通过时间差求出视频拍摄位置的经度。利用问题一求出太阳直射点的纬度和太阳高度角随时间的变化，继而求出直杆所在地可能的经纬度），东经（北纬’''2923218626.38或'''29231213626.38，东经北纬。通过曲线拟合出当地正午时最短的影子长度，利用三角函数求出正午太阳高度角和求太阳高度角的方程，计算当地纬度、太阳直射点的经纬度（南纬'''151051，东经'''2519105），日期为3月24日。关键词：太阳高度角太阳方位角太阳直射点曲线拟合相似三角形MATLAB2一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。请分析题目，试建立数学模型讨论下列问题：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日北京时间9:00-15:00之间天安门广场（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长度的变化曲线。2.根据某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附件1的影子顶点坐标数据，给出若干个可能的地点。3.根据某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附件2和附件3的影子顶点坐标数据，给出若干个可能的地点与日期。4.附件4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若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？二问题分析问题一中，由地理知识可知直杆高度、影子长度与太阳高度角存在三角函数关系，因此要求出太阳高度角随时刻的变化就能求出影子长度的变化。而太阳高度角的变化与太阳直射纬度、当地纬度和时角有关，因此要先求出该日期的太阳直射纬度。依次求解建立模型，并利用MATLAB进行数据拟合求出直杆影子变化曲线。最后利用建立的模型求出直杆的影子长度及变化曲线。问题二中，法一利用附件1所给的影子顶点坐标位置以及北京时间和日期，建立影子长度L与时间M之间的数学模型，运用MATLAB对影子长度和北京时间进行曲线拟合并对拟合出来的曲线进行求导，得出当地正午太阳高度时直杆的最短影子长度及此时的北京时间。利用地理知识根据北京时间与当地正午十二点之间的时间差值得出当地的经度。接下来求纬度，利用相似三角形求出直杆的高度为2.76米，利用影长与直杆之间的三角函数关系求出正午太阳高度角H，根据问题一中的模型求太阳直射纬度，利用正午太阳高度角计算公式计算当地纬度,从而得出可能的经纬度位置。法二中利用太阳高度3角和太阳方位角避开直杆高度，并利用问题一求太阳高度角的模型求出所在地的纬度。问题三中利用问题二中求经度的模型来对附件2、3中所给的影子长度和时间对所在位置的经度进行求解，利用相似三角形求出直杆的高度。将附件中的数据使用MATLAB进行曲线拟合得出当地正午时最短的影子长度，根据三角函数关系求出某一时刻的太阳高度角，利用问题一中建立的太阳高度角模型和正午太阳高度角计算公式求出当地的纬度和太阳直射点的纬度。利用问题一求太阳直射点的纬度模型求当天的日期。问题四中，第一小问，首先利用视频中所给的日期，利用问题一建立的模型求出太阳直射点的纬度，再利用MATLAB对所给视频进行灰度处理，求出影长，利用三角函数关系，将影长数据代入求出太阳高度角随时间的变化，最后利用问题一中建立的太阳高度角模型的公式求得当地的纬度。第二小问，用MATLAB进行曲线拟合得出当地正午时最短的影子长度，根据三角函数关系求出某一时刻的太阳高度角，利用问题一中建立的太阳高度角模型和正午太阳高度角计算公式求出当地的纬度和太阳直射点的纬度，并通过问题一求太阳直射点的纬度模型求当天的日期。另外本文以北京时间为标准，利用当地与北京的时间差确定视频拍摄的经度。三、模型假设1.假设模型中一天中太阳直射纬度的变化忽略不计；2.假设不考虑固定直杆的海拔高度；3.假设地球自转时全球各地线速度一致；四、符号说明h太阳高度角；H正午太阳高度角；l直杆杆长；L直杆影子的长度；地理纬度；t时角；太阳直射点的纬度；A太阳方位角。4五、模型的建立与求解5.1问题一：模型的建立与求解5.1.1太阳直射点纬度[1]如图5.1.1.1,O为地球,S为太阳,为太阳直射点纬度,SOC;是黄经度(太阳在黄道上由春分点自西向东运行到S点所转过的角度,即SOA);O是黄道平面和天赤道平面的交线(棱),OSASOD、、在黄道面内,OCACOEOASOOD、、;,分别是OSASOD、、在天赤道面的射影,它们的垂足分别是;CCE、、AOE是黄赤交角(二面角的平面角),'''212623SACDOE。在SAORt中,sinOSAS;在OCSRt中，sinOSSC，在ACSRt中，''''''212623sinsin212623sinOSASSC'''232623sinsinsinOSOS，所以，'''232623sinsinsin，得到太阳直射点纬度的计算公式：sin397775.0arcsin图5.1.1.1地球公转的周期是一个回归年（365.2422），现行公历的历年是历日的整数倍，它和回归年并不精准相等；另外由于复杂的历史演变过程，以及一些人为的原因，上半年和下半年、冬半年和夏半年以及各季、各月之间的天数也并不完全相同，因此用日期来推算太阳直射点纬度(天文上称赤纬,一年中变动在'2623范围内)时，需按季节分段时行计算，以确保推算的相对精确。因此，把全年的日期分成夏半年、冬半年以及自冬至日到春分日三个阶段来进行推5导太阳直射点纬度。1.夏半年：从春分日（3月21日前后）到秋分日（9月23日前后）约186天，在此时段内视太阳在黄道上运转180。设从春分日开始，视太阳运行了d天，则d天运行了经度：d186180把上式带入sin397775.0arcsin中得：d186180sin39775.0arcsin1862,1,0d；2.冬半年：自秋分日到冬至日（12月22日）前后总计90天，在此阶段上运行了90，设从春分开始，视太阳运行了d天，则d天运行了经度：1869090180d把上式带入sin39775.0arcsin中得：186sin39775.0arcsind276187,186d；3.自冬至日到次年春分日总计89天，在此阶段内也假设运转了90。设从春分日开始，假设太阳运转了d天，则d天运行了经度：2769090270n把上式带入sin39775.0arcsin中得：2768990cos39775.0arcsinn365277,276n；所以：6365277,2762768990cos39775.0arcsin276188,187,186186sin39775.0arcsin1863,2,1,0186180sin39775.0arcsindndddd5.1.2太阳高度角h[2]我们知道中午太阳高度角最高;在北半球夏季比冬季的太阳高度角要高;低纬度地区要比中、高纬度地区的太阳高度角高。说明太阳高度角的变化是随时间、地理纬度和太阳直射点而变化的。太阳高度角计算公式是一个多元函数方程。首先研究真太阳时(真太阳时=地方平均太阳时+时差)正午的太阳高度角计算,见图5.1.2.1,AGFED表示以M为测站中心的南北天子午圈,ME为赤道截面,F为天顶。图5.1.2.1在真太阳时正午时,太阳正位于当地子午面上(即O),90h，由此式可见,在固定的测站上,为常数,真太阳时正午的太阳高度角只决定于太阳倾角的变化,在一年内真太阳时正午的太阳高度角变化在'2623之内。计算任意时刻的太阳高度角,见图5.1.2.2,因为是任意时刻,太阳不恰好处在当地子午面上,O为太阳移动的位置,AGFED为天子午圈,BE为赤道截面,BF为天顶距,LG为赤道天顶距。赤道截面与天顶的交角为纬度角,故有FE,则GF90。太阳与赤道截面的交角为太阳倾角则OL=,故OG=90。太阳与地平面的交角为太阳高度角,则OB=h,FO=90-h。在GOF球面三角形中,根据球面三角公式：Acbcbacossinsincoscoscos则有：7thcos90sin90sin90cos90cos90cos将此式简化得出：tcoscoscossinsinsinht是太阳位置与当地子午面的偏角,即时角(所谓时角,是指太阳所在的时圈与通过南点的时圈构成的夹角,单位为度。自天球北极看,顺时针方向为正,逆时针方向为负。时角表示太阳的方位,因为天球在一天24h内旋转360°,所以每小时旋转15°，当地时间12点时的时角为零）。图5.1.2.25.1.3求影子长度变化如图5.1.2.2，利用三角函数，根据Lltanh即可求出指定时刻直杆的影子长度。图5.1.2.2影子长度与太阳高度角的关系由上述求解过程分析得出影子长度的变化规律：1)与经纬度有关：就某一天来看，太阳直射纬度所在的位置，日影最短，为一圆点。在直射纬度以北、以南的地区，正午日影随着正午太阳高度缩小而逐渐变长。2)与时间有关：就某个地点来看，一年中正午太阳高度增大时，日影逐渐缩短；正午太阳高度达最8大时，日影最短；正午太阳高度减小时，日影逐渐增长；正午太阳高度达最小时，日影最长。例如：①6月22日，太阳直射北回归线，北回归线及其以北各地的正午太阳高度达到全年最大，其日影也达到全年最短；②6月22日~12月22日，在太阳直射点向南移动过程中，