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2015年全国大学生数学建模竞赛A题优秀论文太阳影子定位模型
太阳影子定位模型
摘要
太阳影子定位技术是通过分析视频中物体的太阳影子变化,来确定视频拍摄的地点
和拍摄日期的一种方法。本文利用太阳位置算法、最小二乘法、遗传算法等方法,解决
直杆影子长度的求解问题和由影子顶点坐标值确立太阳影子定位模型以及将附件一至
三中的影子顶端坐标数据应用于该太阳影子定位模型求出可能的地点坐标和日期这一
问题。此外,在对视频中影子的顶点坐标数据求解时,本文利用高斯背景模型分析得到
视频中影子的坐标数据。
SPA
对于问题一,本文通过建立 模型分析得到影子长度关于各个参数的变化规律,
代入题中给定的参数可求出北京时间9:00 到15:00 的影子长度变化曲线图。所求结果
是早上9 点直杆的影长为7.34 米,到中午12:15 左右达到最低点3.66 米,到下午15:00
影长为 6.03 米。对于北京而言,一天中影子长度呈现先由长变短,再由短变长的变化
趋势。在北京时间12:15 分时,天安门旗杆的影长最小,太阳高度角最大,此时北京地
方时到达正午12 点。
对于问题二,首先建立影子顶点坐标模型,在给定坐标系的情况下,本文分析四种
可能的观测地情况,发现在四种情况下影子顶点坐标的求解模型相同。本文由最小二乘
法原理和遗传算法建立太阳影子定位模型,并利用问题一中的数据对该太阳影子定位模
型的可行性进行分析,结论是该模型可行性高。将该太阳影子定位模型应用于附件一中
的数据,使用遗传算法对数据不断进行迭代求出最优解,得出可能9 组可行解,结果见
表2-2 所示。
d
对于问题三,相比第二问多了时间变量,对此本文引入一未知变量 ,建立最小二
乘目标函数进行优化,利用遗传算法,将目标函数确定为关于(, , d ) 的方程,在第二问
的基础上进行迭代,得到一簇最适应环境的类似个体即最优解,结果为图12 所示。
对于问题四,首先我们将视频按每分钟截图,编号为1-40,然后利用MATLAB 编程
得到40 组不同的杆顶点值、杆底部值以及杆影顶点值,利用高斯背景模型对图片数据
像素坐标进行处理使之合理化,获取像素坐标后转化为地理坐标。问题四中的第一问
可转化为问题二的模型进行求解得结果为33.25943N ,110.1314E 附近;问题四中的
第二问转化为问题三的模型对其进行求解,结果为多种,并且得知可行解是有周期性
的,不同的日期可以对应不同的纬度,也可以对应不同的经度。
关键词:太阳位置算法 最小二乘法 遗传算法 太阳影子定位模型
一. 问题重述
1.1. 问题背景
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来确定视频拍摄的地点和日期的一种方
法。
1.2. 问题提出
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。建立确定视频拍摄地点的数学模型,并应用模型给出若干个可能的拍
摄地点。在拍摄日期未定的条件下,能否根据视频确定出拍摄地点与日期?
二. 模型假设
1. 假设地球为一个球体;
2. 忽略海拔、天气等因素对测量和计算造成的影响;
3. 假设阳光照射到地球上时为平行光;
4. 假设地球的公转轨道
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