太阳影子定位,2015数学建模国赛A题资料
太阳影子定位-2015高教社杯全国大学生数学建模竞赛题
2015高教社杯全国大学生数学建模竞赛题目（请先阅读“全国大学生数学建模竞赛论文格式规范”）A题太阳影子定位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？太阳影子定位摘要本文通过分析物体的太阳影子变化，利用太阳影子定位技术建立确定视频拍摄的地点和日期的模型。
针对问题一，首先通过分析知影子长度的变化主要影响参数为：当地的经度λ、纬度ϕ、时刻t、直杆长度l、季节J（日期N)等，引入地理学参数：太阳赤纬δ、时角α及太阳高度角h 0，建立一个能够刻画影子长度变化和各个参数间关系的模型：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅⋅-+-=h l h l t 000tan)cos cos sin sin sin arccos(300151δϕδϕλ；其次以实例对模型进行检验，在误差可允许的范围内，认为模型正确；进而对模型采用控制变量法分析影子长度关于各个参数的变化规律；然后求解出满足条件影子长度12时15分是最短，大约3.674米（表3）。
2015年全国大学生数学建模竞赛A题.
太阳影子定位（一）摘要根据影子的形成原理和影子随时间的变化规律，可以建立时间、太阳位置和影子轨迹的数学模型，利用影子轨迹图和时间可以推算出地点等信息，从而进行视频数据分析可以确定视频的拍摄地点。
本文根据此模型求解确定时间地点影子的运动轨迹和对于已知运动求解地点或日期。
直立杆的影子的位置在一天中随太阳的位置不断变化，而其自身的所在的经纬度以及时间都会影响到影子的变化。
但是影子的变化是一个连续的轨迹，可以用一个连续的函数来表达。
我们可以利用这根长直杆顶端的影子的变化轨迹来描述直立杆的影子。
众所周知，地球是围绕太阳进行公转的，但是我们可以利用相对运动的原理，将地球围绕太阳的运动看成是太阳围绕地球转动。
我们在解决问题一的时候，利用题目中所给出的日期、经纬度和时间，来解出太阳高度角ｈ，太阳方位角Α，赤纬角δ，时角Ω，直杆高度Ｈ和影子端点位置（x0，y o），从而建立数学模型。
影子的端点坐标是属于时间的函数，所以可以借助时间写出参数方程来描述影子轨迹的变化。
问题二中给出了日期和随时间影子端点的坐标变化，可以根据坐标变化求出运用软件拟合出曲线找到在正午时纵坐标最小，横坐标最大，影子最短的北京时间，根据时差与经度的关系，求出测量地点的经度。
根据太阳方位角Α，赤纬角δ，时角Ω，可以求出太阳高度角ｈ。
再结合问题一中的表达式，建立方程求解测量地点的纬度Ф。
我们在求解第三问的思路也是沿用之间的模型，但第三问上需要解出日期。
对于问题四的求解，先获取自然图像序列或者视频帧，并对每一帧图像检测出影子的轨迹点；然后确定多个灭点，并拟合出地平线；拟合互相垂直的灭点，计算出仿射纠正和投影纠正矩阵；进而还原出经过度量纠正的世界坐标；在拟合出经过度量纠正世界坐标中的影子点的轨迹，利用前面几问中的关系求出经纬度。
关键字：太阳影子轨迹Matlab 曲线拟合（二）问题重述确定视频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。
太阳影子定位-2015年全国数学建模比赛a题全国二等奖论文
太阳影子定位摘要本文研究的问题是分析直杆在太阳的照射下，影子的角度和长度的变化，再结合相关地理知识和数学几何模型，推算出具体的所在地点和具体日期。
该模型可以用于太阳影子定位技术中，根据物体在阳光照射下影子的变化进行定位。
对于问题一，我们首先根据地球与太阳的位置关系列出太阳赤纬角，太阳高度角，太阳时角的计算式，其中需对较粗略的太阳赤纬角计算式进行修正，得出精准的计算式。
再建立数学几何模型，根据太阳高度角，影长与杆长形成的角边关系，列出影长的计算式。
最后建立一个太阳日照影长模型，该模型以太阳高度角计算式，太阳赤纬角计算式，太阳时角计算式为子函数，以太阳赤纬角，太阳日角，太阳时角，时间初值为中间变量，以当地经纬度，从1月1日到测量日的天数，时间，杆长，年份为自变量的复合函数数学模型。
然后采用由内到外计算法对此复合函数进行求解，计算出从九点到十五点的影长和太阳高度角的变化，得出直杆的太阳影子长度的变化曲线。
对于问题二，我们首先分析因为时间日期已给出，所以根据太阳赤纬角计算式可知太阳赤纬角为已知量，接着我们将影长的计算式进行等式移项变换，得到一个拟合杆长及经纬度的非线性最小二乘模型，该模型将问题一中太阳日照影长模型作为参数拟合对象，以杆长和影长与太阳高度角正切值之积的差值最小误差平方和为目标函数，以太阳高度角计算式，太阳时角计算式为约束条件，以测量时间，天数，影长为已知量。
将该模型在1stopt 软件中运行，采用麦夸尔特算法和通用全局最优化法对该模型进行迭代计算，对实验结果统计分析后得出该直杆相应的北纬为19.29392848度，东经为108.7225248度（海南岛的西海岸）。
对于问题三，除了需要拟合杆长和经纬度以外，还需拟合日期，同样参照影长等式移项变换公式，得到一个拟合杆长、经纬度及日期的非线性最小二乘模型。
同样采用问题二的计算方法得到多组结果，其中附件二最优解地点为新疆维吾尔自治区喀什地区巴楚县(40.0025°N,79.6587°E)，附件三最优解地点为湖北省十堰市郧西县（32.9638°N,110.277°E ）。
全国大学生数学建模2015年国二a题
2015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中国大学生数学建模竞赛的竞赛规则.我们完全明白，在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式（包括电话、电子邮件、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。
我们郑重承诺，严格遵守竞赛规则，以保证竞赛的公正、公平性。
如有违反竞赛规则的行为，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行公开展示（包括进行网上公示，在书籍、期刊和其他媒体进行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我们的参赛报名号为（如果赛区设置报名号的话）：所属学校（请填写完整的全名）：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)：日期：年月日赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：编号专用页赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：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行编号）：太阳影子定位摘要本文研究了太阳影子定位问题，基于天球坐标系相关知识、球面几何理论以及相似度理论，对不同情况下的数据，建立了相应的数学模型并得到了最优的匹配地点与日期。
问题1中，利用球面三角形余弦定理给出了太阳高度角公式，并建立了影子长度变化的数学模型，定性的分析了影子长度关于时角、当地纬度以及赤纬角的变化规律：(1). 时角的绝对值越大，影子长度越大；(2). 在同一经度上（即时角一定），当地纬度与此时的太阳赤纬之差越大，影子长度越大；(3). 在同一纬度不同经度上，当地经度和此时太阳直射点所在的经度之差越大，影子长度越大。
用所建的模型，得到了2015年10月22日北京时间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。
2015年全国大学生数学建模竞赛A题
太阳影子定位技术问题的数学模型摘要本文涉及的是太阳影子定位技术问题。
在已知视频中物体的太阳影子变化的情况下，要确定视频的拍摄地点和拍摄日期。
首先，分析了文中四个问题的关系，发现前三个问题的已知条件逐步减少，问题难度依次递进。
第四问则给出一个实际问题，该问题需要转化成数学模型利用前三问的方法求解；随后，建立了L-G模型、MinZ-模型等，并应用非线性最小二乘法、遗传算法等算法对模型求解。
得到基于模型的合理结果。
最后，将第四问的实际问题转化数学模型并求解，进而解决问题。
对于问题一，要解决的问题是杆长与影子长度的关系，根据天文、几何知识，我们建立了模型来刻画问题给出的参数之间联系，如赤纬角模型、时角模型、太阳高度角模型、影子长度模型（L-G模型）等；分析了各参数对影子长度的影响；最后运用MATLAB绘制出具体给定参数下的3米高直杆的影子变化曲线；从曲线可以看出在9:00到15:00这段时间里，影子长度先变短后变长，最短为3.627米，最长为7.182米。
问题二提供了一个关于时间、影子坐标的附件1，杆长未知，为了确定直杆所处的地点，本问建立了MinZ-模型，首先将经度、纬度、杆长离散化，搜索出大概的可行解，然后运用非线性最小二乘算法，选取matlab中的lsqcurvefit命令，以可行解为初值，再运用非线性最小二乘算法，选取MATLAB中的lsqcurvefit命令，在控制残差在10−8之内范围的情况下得到了三个可能地点皆在海南省昌江县内，最小误差的地点为海南省江黎族自治县，北纬19.3025°，东经108.6988°，此时对应直杆高度为2.0219m。
同时，将结果代入问题一的模型进行检验，验证了模型的稳定性和算法的合理性。
问题三沿用问题一的模型和问题二的算法，由于一个已知量变成一个变量，根据算法特点，在增加一个变量的情况下，算法搜索影长差时只需要增加一重循环。
关于附件2数据，残差最小对应的位置为北纬39.8926°，东经79.7438°，具体地点在新疆维吾尔自治区喀什地区巴楚县。
2015年数学建模国赛A题
三、 条件假设 1. 假设题中所给数据准确性高，测量误差忽略不计； 2. 假设地球是一个规则均匀的球体，即球心到球面距离相等的球体； 3. 将太阳光看作是无数条平行光； 4. 假设附件 2 和附件 3 中直杆影子的测量年份均为 2015 年。 四、 符号表示
符号 l
N w
L t T r
1
一、 问题重述
近年来随着互联网技术的凸起，视频应用越来越广泛，如何确定视频的具体 拍摄地点和拍摄日期是视频数据分析中的重要方面。 太阳影子定位技术就是通过 分析视频中影子变化情况来确定视频拍摄的地点和日期。 问题一、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， 并根据所建模型画出 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 长度变化曲线。 问题二、以某垂直地面的固定直杆底端为原点，水平地面为 xy 平面，根据 该直杆在水平地面上太阳影子的顶点坐标数据， 建立关于直杆所处位置的数学模 型，将所建立模型应用于附件 1 的影子顶点坐标数据，给出直杆所处的若干可能 地点。 问题三、以垂直地面的某固定直杆底端为原点，水平地面为 xy 平面，根据 直杆在水平地面上的太阳影子顶点坐标数据， 建立数学模型求出直杆所处的位置 和日期。将所建模型分别应用于附件 2 和附件 3 的影子顶点坐标数据，给出直杆 所在的若干个可能地点与日期。 问题四、附件 4 为太阳下直杆影子变化的视频，已知视频中直杆高度约为 2 米。建立确定视频拍摄地点的数学模型，并根据模型求出若干个可能的视频拍摄 地点。若视频拍摄日期未知，分析能否根据视频确定拍摄地点与日期。
直杆影子变化规律和影长定位的研究
2015数模竞赛题目
A题太阳影子定位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？B题“互联网+”时代的出租车资源配置出租车是市民出行的重要交通工具之一，“打车难”是人们关注的一个社会热点问题。
随着“互联网+”时代的到来，有多家公司依托移动互联网建立了打车软件服务平台，实现了乘客与出租车司机之间的信息互通，同时推出了多种出租车的补贴方案。
请你们搜集相关数据，建立数学模型研究如下问题：(1) 试建立合理的指标，并分析不同时空出租车资源的“供求匹配”程度。
(2) 分析各公司的出租车补贴方案是否对“缓解打车难”有帮助？(3) 如果要创建一个新的打车软件服务平台，你们将设计什么样的补贴方案，并论证其合理性。
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教程
我们依据太阳位置算法[2]（ SPA）得到太阳位置的几何模型图如图 1 所示：
图 1 太阳位置的几何模型
图中 为高度角， 为方位角， 为纬度角， 为赤纬角， 为太阳时角， 和 能由下列式子计算得到(公式来源:/1GU1iS)：
（1.2）
其中 为一个参数，能通过如下公式得到
2 (d 1) 365
（1.3）
式中， h 为北京时间， 为当地经度， d 为日期，即 1 月 1 日就用 d 1来表
示，假设一年为 365 天，则 d 365表示 12 月 31 日。由式（1.1）可知，相邻两天的赤
纬角 差值几乎为 0，因此当闰年时，我们设定 2 月 28 日的 d 59 ，29 日时 d 59 ，
g( ) (0.006918 - 0.399912 cos( ) 0.070257 sin( ) - 0.006758 cos(2 ) 0.000907 sin(2 ) - 0.002697 cos(3 ) 0.00148 sin(3 ))
（1.1 ）
h15 300
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
5.1.2. 模型求解
首先根据问题分析和模型，我们将观测日期代入得到赤纬角 21.8985 ，负号表
示太阳直射点在南半球，然后代入求出太阳时角 和高度角 在不同时刻的值，得到表
2015年数学建模国赛A题全国优秀论文40
三．模型假设
1.假设一天中的太阳赤纬角保持不变； 2.假设附件 4 中视频里的时间为北京时间； 3.假设大气层对太阳光的折射率保持不变； 4.假设影子长度和角度与该点的海拔无关；
四．符号说明
符号
h
表示含义 表示太阳高度角 表示修正后的太阳高度角 表示杆子的长度 表示杆子的影长 表示太阳赤纬角 表示某点的地理纬度 表示某点的地理经度 表示太阳时角 表示大气层的折射率 表示日期 表示某一具体时刻 表示太阳方位角
1
一．问题的背景与重述
1.1 问题的背景 早在 15 世纪时， 定位技术就已经随着海洋探索的开始而产生。 随着社会和科技的不 断发展，我们对定位的需求已不再局限于航海、航空等领域，对于地球上的精确坐标定 位已逐渐成为人们关注的热点问题。对于地球表面经纬度的精确定位，可利用变化的太 阳影子来进行分析，其作为一种直观简便的定位技术，已受到广泛关注。 1.2 问题的重述 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，确定视频拍摄的地点和 日期的一种方法，请建立合理的数学模型解决以下问题： 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，并根据 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，并将模型应用于附件 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，并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。请建立确定视频拍摄地点的数学模型，并应用该模型给出若干个可能 的拍摄地点。如果拍摄日期未知，是否可以根据视频确定出拍摄地点与日期。
2015数学建模.
A 题 太阳影子定位摘要本文主要研究了太阳影子定位技术，通过对影子的变化趋势来判断拍摄地点及日期。
针对问题一，我们建立了影子长度随时间变化的角度计算模型。
通过对时角、赤纬角的计算，带入当地纬度，并加入时差的计算，我们得到了太阳高度角的值，并由三角函数关系，求出了影长，绘制出了影长变化曲线。
针对问题二，我们首先利用坐标求出影长，在此基础上利用附件中求得的影长与正午时刻最小的影长做比以及用时差的相关知识求出当地经度。
其次利用已知的坐标与高度角正切值的关系，建立了非线性方程模型：111sinh sin sin cos cos cos t =θα+θα 222sinh sin sin cos cos cos t =θα+θα1221/tanh /tanh L L =sinh sin sin cos cos cos t ϕϕ=δ+δ 再通过MATLAB 编程得出纬度的值。
得到的大致位置为海南和广西。
日期为3月份。
针对问题三，首先根据二中的方法求出经度，附件2的经度为72°03，附件3的经度为107°56′2.40，其次由于日期未知，所以在模型一的基础上将高度角方程增加到3个，经过编程匹配，得到了最可能的地理位置附件2：北纬N38°32′，东经为E72°03′和北纬N 40°18′，东经E72°03′，附件3：北纬N 40°45′东经E 107°56′，北纬N 40°0′东经E 107°56′。
附件2日期为3月份，附件3日期为6月份。
针对问题四，利用MA TLAB 编程以及相似三角形的判定，导出实际的影子长度。
再利用问题二中的数学模型求解得出纬度，北纬N 40°23′48″东经E 110°41′24″和E49°55′12″N110°41′24″若日期不知道，则结合问题三的数学模型求出日期。
2015高教社杯全国大学生数学建模竞赛A题太阳影子定位
摘要通过太阳影子定位技术可以确定视频的拍摄地点和时间，为拍摄出更好的视频，掌握太阳影子的变化规律就变得尤为重要。
本文主要综合运用了地理学、几何学、统计学、数学分析和高等代数等知识，并利用MATLAB,SPSS 和mathematica 等计算机软件，通过建立数学模型来研究影子长度的变化特征,进一步确定视频的拍摄地点和时间。
针对问题一，首先我们通过分析影子长度的影响因素得到与影子长度的关系（见表达式六）整理计算之后，就得到了影子长度的数学模型。
1*tan (arcsin(cos cos cos sin sin ))l L ϕθϕθ-=Ω+然后我们通过分析他们之间的关系，再利用MATLAB 编程，得到了影子长度关于各个参数的变化规律（见图3到图7）。
其次根据我们建立的模型，利用MATLAB 编程画出了给定时间天安门广场3米高的直杆的太阳影子长度的变化曲线（见图8），然后在考虑折射率的情况下又画了一条变化曲线（见图9），最后进行了误差分析（见图10）。
针对问题二，我们采用了测试分析法（数据分析法和计算机仿真相结合），通过分析各个参量之间的关系，先以影长l 为目标做回归，用模型一的模型，通过SPSS 进行拟合得到多组数据，再用MATLAB 进行检验得到符合的两组经纬度。
(19.251,109.645),(24.579,98.1)N E N E然后我们又以太阳方位角K 为目标做回归,得到模型（见表达式12），其计算方法与影长l 做回归目标时一样。
我们分步做了两次拟合，先用MATLAB 拟合出经度，再做回归模型（见表达式14）最后得到经纬度(18.74,109.35)N E 和杆长 1.993L m =。
综上可知，肯定有一地点是在海南，还有一个地点可能在云南。
针对问题三，我们用问题二中的多项式回归，得到回归模型（见表达式17和20） 利用附件二得到的经纬度为(32.83N,110.25E)和杆长L 3.03m = ，得到天数307n =。
2015建模A题太阳影子定位
A题太阳影子定位一，摘要（宋体小四号，简明扼要的详细叙述，字数不可以超过一页，不要译成英文）本文针对太阳影子定位技术，通过太阳与地球相对运动的规律，建立杆长、影长、经纬度、时间、日期的关系，建立模型。
综合分析了不同地点，不同的时间，不同的季节时影子长度的形成规律及变化趋势，运用了软件进行分析，得出不同地区影子变化的模型。
最后将具体情况运用到建立的模型中，对实际问题进行可行性分析，根据条件的改变完善对模型的应用和实用性检验。
第一问中，我们通过两种太阳高度角的表示方法建立等式关系，根据控制变量法，分析出影子长度分别与经、纬度、杆长、时间、日期的关系。
然后，根据时差计算关系，当时间在9:00-15:00时，天安门广场的时间，并应用建立的模型。
第二问中，首先根据影子坐标求出影子的长度，拟合时间与影子长度的函数，找出影子长度的最低的点，从而根据时间求出当地经度，由于误差的存在，我们将经度、杆长、纬度给定一定围，根据第一问公式进行搜索，从而确定可能的地点。
关键字：（宋体小四号）真太阳时平太阳时赤纬角太阳高度角熵值法二，问题提出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。
2015年全国大学生数学建模竞赛A题
（一）摘要
根据影子的形成原理和影子随时间的变化规律， 可以建立时间、 太阳位置和影子轨迹的 数学模型， 利用影子轨迹图和时间可以推算出地点等信息， 从而进行视频数据分析可以确定 视频的拍摄地点。 本文根据此模型求解确定时间地点影子的运动轨迹和对于已知运动求解地 点或日期。 直立杆的影子的位置在一天中随太阳的位置不断变化， 而其自身的所在的经纬度以及时 间都会影响到影子的变化。 但是影子的变化是一个连续的轨迹， 可以用一个连续的函数来表 达。我们可以利用这根长直杆顶端的影子的变化轨迹来描述直立杆的影子。众所周知，地球 是围绕太阳进行公转的， 但是我们可以利用相对运动的原理， 将地球围绕太阳的运动看成是 太阳围绕地球转动。 我们在解决问题一的时候，利用题目中所给出的日期、经纬度和时间，来解出太阳高度 角ｈ，太阳方位角Α，赤纬角δ ，时角Ω ，直杆高度Ｈ和影子端点位置（������0 ，������������ ） ，从而建 立数学模型。 影子的端点坐标是属于时间的函数， 所以可以借助时间写出参数方程来描述影 子轨迹的变化。 问题二中给出了日期和随时间影子端点的坐标变化， 可以根据坐标变化求出 运用软件拟合出曲线找到在正午时纵坐标最小，横坐标最大，影子最短的北京时间，根据时 差与经度的关系，求出测量地点的经度。根据太阳方位角Α，赤纬角δ ，时角Ω ，可以求 出太阳高度角ｈ。再结合问题一中的表达式，建立方程求解测量地点的纬度Ф 。我们在求 解第三问的思路也是沿用之间的模型，但第三问上需要解出日期。 对于问题四的求解， 先获取自然图像序列或者视频帧， 并对每一帧图像检测出影子的轨 迹点；然后确定多个灭点，并拟合出地平线；拟合互相垂直的灭点，计算出仿射纠正和投影 纠正矩阵； 进而还原出经过度量纠正的世界坐标； 在拟合出经过度量纠正世界坐标中的影子 点的轨迹，利用前面几问中的关系求出经纬度。
【数学建模国赛获奖】2015年全国数学建模竞赛A题全国一等奖论文14
关键字： 枚举法 微元法 直杆影对角 小孔成像 牛顿莱布尼兹公式
间的变化规律。
针对问题二，建立确定直杆所处地点的数学模型。分别从影子实际长度 l 和 相邻时刻影子的夹角 两个方面考虑直杆所在地点。一方面，通过对附件 1 中的 数据分析，求出实际影子长度比值 li / li1 。根据问题一中 与各参数, , 之间 的关系，对直杆所在地点的经度 ，纬度 采用枚举法，对每一组 ( , ) 求解出 li / li1 tani / tani1 的比值，找出实际值与理论值之间的最小方差，即得到若 干最优解 ( , ) 。另一方面，利用附件 1 中的数据求出相邻时刻影子之间的夹角 i ，再重新定义参数 为影子与正北方向的夹角。与上一方法类似，我们应用参 数 通过对直杆所在地点的经度 ，纬度 采用枚举法，对于每一组 ( , ) 求解 出 i i i1 作为模拟值，用类似的方法得到若干最优解。最后比较两种方法
4、建立确定视频拍摄地点的数学模型，根据附件 4 为一根直杆在太阳下的 影子变化的视频，给出若干个可能的拍摄地点。已通过某种方式估计出该直杆的 高度为 2 米。若拍摄日期未知，试根据视频确定出拍摄地点与日期。
二、问题假设
1、 假设地球为规则的球体，半径为 R=6371km； 2、 假设南纬为负，北纬为正，西经为负，东经为正； 3、 假设地球公转的周期为 365 天，地球自转的周期为 24 小时； 4、假设题目中给出的所有数据都是准确的，忽略测量时出现的误差； 5、假设太阳为点光源，发出的光线为平行光线直射地球，忽略大气层折射对太
2015年全国大学生建模大赛A题太阳影子的定位
太阳影子定位摘要本文通过分析物体的太阳影子变化,利用太阳影子定位技术建立确定视频拍摄的地点与日期的模型。
针对问题一,首先通过分析知影子长度的变化主要影响参数为:当地的经度 λ、纬度ϕ、时刻t 、直杆长度l 、季节J (日期N )等,引入地理学参数:太阳赤纬δ、时角α及太阳高度角h 0,建立一个能够刻画影子长度变化与各个参数间关系的模型:⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅⋅-+-=h l h l t 000tan )cos cos sin sin sin arccos(300151δϕδϕλ;其次以实例对模型进行检验,在误差可允许的范围内,认为模型正确;进而对模型采用控制变量法分析影子长度关于各个参数的变化规律;然后求解出满足条件影子长度12时15分就是最短,大约3、674米(表3)。
影子长度的变化曲线(图5),9时至12时15分影子长度呈现下降趋势,12时15分之15时影子长度呈现上升趋势;最后考虑太阳照射中发生折射现象的推广。
针对问题二,关键词一、问题重述:如何确定视频的拍摄地点与拍摄日期就是视频数据分析的重要方面,太阳影子定位技术就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与日期的一种方法。
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,并应用您们建立的模型画出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。
将您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与日期。
将您们的模型分别应用于附件2与附件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。
2015高教社杯全国大学生数学建模竞赛A题特等奖论文
EE （S F/ 60 (116 23/60 - 120) * 4/60 Eq / 60）
（7） （8）
t (EE - 12) *15 * pi/180
式中，EE 为真太阳时, t 为太阳时角
再通过查阅参考文献，直杆影长的计算和太阳高度角存在着余切函数关系 式，通过下图可以直观的了解太阳影子倍率变化：
A D t
Eq
N N
Y
B
A
S
length
L
k h
3
五、模型的建立与求解
5.1.问题一的解答
5.1.1 问题一的分析
首先查找资料分析影子长度与太阳高度角、观测的地理经纬度、季节（年、 月、日）和时间等各个因素的关系，观察附件中的视频中杆子影子在一天实际当 中的某个时间段的变化（有长变短再变长）过程如图（一），并建立函数表达式 模型，然后利用 MATLAB 软件作出 3 米高的直杆的太阳影子长度的变化曲线。
3）拍摄时间的参数影响 计算时差时（ Eq ）指真太阳时与地方时平均太阳时之差，计算公式为：
Eq (0.0028 - 1.9857 * sin （ Q） 9.9059 * sin (2 * Q) - 7.0924 * cos(Q) - 0.6882 * cos(2 * Q))/(60 * 24) (1)
Q 2 * pi * N dn - n0 / 365.2422
5
（2）
dn (W - L) n0 79.6764 0.2422 * (Y - 1985) - floor * (0.25 * (Y - 1985)) L （D M/ 60）/(15 * 24)
W （S F/ 60）/ 24
问题二要求直杆所处的地点，实际是转化求直杆所处的经纬度问题。本文根 据附件（一）给出的杆子影子顶点坐标数据、拍摄瞬时时间和日期，并结合上文 问题（一）所建立数学函数表达式[（1）-（9）]模型，用 MATLAB 软件，对
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
对太阳影子定位算法探究摘要本文是对2013年全国大学生数学建模竞赛A题的解答.随着人们对数据挖掘的深入，如何确定视频的拍摄地点和拍摄日期已经成为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，进而可以促进视频分析定位技术发展。
对于问题一，我们根据地球自转公转的自然规律，建立影子长度变化的数学模型，并且分析影子长度关于各个参数的变化规律。
基于对问题的分析以及理论的学习研究，画出模拟概念图，然后计算相关量（如太阳高度角、赤纬角等）的表达式，并按照相关地理知识建立起模型，得到杆子影长与时间函数表达式，再将题目所给的数据代入求解方程，并用MATLAB作出曲线图，最后检验模型的准确性。
对于问题二，我们以问题一所求出的表达式和资料作为基础，继而利用球面天文学求算太阳视坐标的简化算法建立一模型直接求解出经度，纬度的估算值。
再代进数据并用利用多项式拟合出更长的时间序列曲线，用函数的特征值（最低点）加上时角，时区计算相关知识，再推算出经度值。
最后利用第一问模型，经度，加上曲线获得的几组影长数据联立求解出大致纬度，最后估算杆子所在的地区。
对于问题三，结合问题一问题二所建立的模型，将附件2，附件3的数据先画出散点图并以多项式拟合出两条相对完整的曲线，通过其曲线函数求得影长的最小值以及最小值所对应的时间求得经度，纬度，将经度和纬度代入赤纬角公式以及影长公式可求得相应的具体日期。
对于问题四，首先将视频数据利用MATLAB，并且编程处理视频得到每分钟一帧的图片，再把相关图片转化为灰度图矩阵，最后用语句转化为二值图（0为黑，1为白）。
下一步把二值图集分析并且分析出杆子影长的变化规律，求出视频拍摄点经度，利用模型一求出纬度，即是位置。
关键字：影长位置 MATLAB编程多项式拟合最小二乘法二值图一．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,北京时间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。
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？注：题目及数据附件都可到全国大学生数学建模竞赛官方网站（）下载.二．模型的假设1)假设地球在自转时角速度均匀；2)假设地球在公转时的椭圆为规则椭圆；3)假设题目涉及的太阳时计算为真太阳时；4)假设在一天内的太阳高度角不变；5)忽略大气折射对阳光传播的影响。
注：1真太阳日分为24真太阳时。
这个时间系统称为真太阳时。
真太阳时也称为视太阳时，简称视时。
真太阳时即真太阳视圆面中心的时角加12小时。
即：真太阳时=平太阳时+真平太阳时差三．符号说明表1四．模型的建立与求解4.1问题一4.1.1问题1分析题目要求描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。
首先通过查阅相关地理、物理文献，找寻建模中可能遇到的概念、方法，再挖掘建立模型相关的方法，为之后的建模奠定坚实的基础。
模型建立第一步,理清自变量（四个），因变量，选取参考系（参考面还有参考点），建立空间直角坐标系。
再做出太阳随时间移动杆影的直观视图（日照杆影图），最后，利用太阳高度角、杆高等相关量与杆影的几何关系，构造对应函数，使之符合题意，同时根据相应的标准进行统计、分析和构建相关的数学模型。
4.1.2模型1的建立通过对题目的探讨，一根垂直地面的杆子，研究它的影子长度随着日照光线的改变而改变，首先我们确定相应的参考系，以杆子所在地地平面α为参考面，以杆子的最低端为坐标原点，再得到以下的自变量：表2因变量：杆子在参考面上投影长度（可以从杆子顶点在参考面的投影求得）4.1.3步骤一：求出建立模型必须的物理，地理相关量值量在此基础上我们分析地球运动的特性规律与研究杆影与时间、日期、经度、纬度、杆长的相关关系，首先做出日照杆影分析图1-1，如下:图1-1设杆子顶点在地平面上投影点相对于原点坐标为Q(x0,y0),另外杆子高度为H ，影子长度为L 。
太阳高度角可求：)arctan(1L H =θ; 从图1-1中分析，太阳与杆子相夹的角近似为太阳高度角，太阳赤纬角：定义是又称太阳赤纬，是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角。
由图1-1几何关系，查阅资料以及推理出计算公式如下：因为题中涉及到的是真太阳日所以太阳赤纬角的计算公式为 )365k)(284×36023.5sin(ε ；+= ① k 为日期序号，如若3月22号,k 就为81。
时角计算公式：12;-15n t , t β== ②太阳高度角θ计算公式：；βεεcos cosWcos sinWsin sin θ+= ③根据三角函数知识以及图中几何关系得，太阳方位角计算公式：;cos sin cos sin θβεφ= ④4.1.4步骤二：利用上面所得的数据求出Q 点的轨迹方程（即为影子轨迹）图1-2对图1-2进行分析，发现在某个地点某个时刻太阳照射杆子杆影的变化曲线图的大致规律：一条类似于抛物线的曲线对杆影的因变量和自变量进行量化分析得影子长度,推并推算相关公式得：；φtan 0y0⋅=x ⑤；φcos x 0L = ⑥ 然后将上述式子联立求解得Q 点的x 坐标的表达式：；φθ2tan 1cot 0x +⋅±=H ⑦ 代入数据得⑧]]]))))12(15cos(cos W cos sin W (sin cos(arcsin ))12(15sin(cos n[[tan[arcsi 1))))12(15cos(cos W cos sin nW (arcsin(cot H x0；-⨯⋅⋅+⋅-⨯⋅+-⨯⋅⋅+⋅⋅±=n n n si εεεεε 由;00L 22y x += 再以时间t 为自变量，可求得影子长度的变化曲线：⑨]]]))))12(15cos(cos W cos sin W (sin cos(arcsin ))12(15sin(cos n[[tan[arcsi 1))))12(15cos(cos W cos sin nW (arcsin(cot H tan 1L 2222；）（-⨯⋅⋅+⋅-⨯⋅+-⨯⋅⋅+⋅⋅+=n n n si εεεεεφ如果数据充足，可以利用MATLAB 做出Q 点的轨迹，以及影子长度随着自变量的变化而变化曲线图，其中纬度被包含在公式中，经度被时角所替代，地方时间n ，日期也嵌套在赤纬角里面，这样四个自变量就可以表示杆影的长度变化曲线。
4.1.5步骤三：计算取值，作曲线计算画出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。
由步骤二可知道 φβ2tan 1cot 0x +⋅±=H , φtan 0y0⋅=x , 2200L y x +=.是主要公式，联合步骤二的有关公式可以得出直杆的太阳影子长度随时间的变化曲线为θφθφHcos tan 1cot tan 100t L 222222=+⋅+=+=H y x ）（）（. ⑩ 其中cos θ是时间的函数，因为H 、W 、J 、n 、日期已知，代入数据并用MATLAB 求得杆子顶点的影子长度的变化曲线如曲线图所示：图1-3 检验准确性分析图1-3，可见曲线直观上是一条类似于抛物线的曲线，表明3米高的杆子在北京天安门广场9:00到15:00的杆影长度曲线如图1-3。
图1-4来自于·影端轨迹周年变化的实践与分析_以北温带地区为例_吴济廉再根据相关文献中的依据，其中包含实验验证此现象的记载，表明结果的准确性程度较高。
4.2问题二4.2.1问题二的分析题目要求根据某固定直杆在水平地面上的太阳影子顶点坐标数据，建立模型确定该杆所在的地理方位。
附件一中有的条件是影长，时间，日期，不明确竿子高度H ，求所测地点的经纬度。
4.2.2模型的建立与检验：设竿子长度为H （未知），以问题一所建立模型为基础，利用球面天文学求算太阳视坐标的简化算法对问题进行探究，建立此问题的数学模型，并且带进附件一中的数据，再利用数据拟合出一天之中的竿影长度随时间的变化图，得出最短阴影长度值，进而得到该点经度值。
估算出测验地的地理未知，并检验。
首先我们要计算某一时间的天顶距S （是指在天体方位圈上，天体与天顶之间的交角称为天顶距---来自百度百科），可以从天顶的定位三角形,利用三角几何关系求图2-1百度百科上的天顶角示意图天顶距S 的代数关系式子：;cos cos cos sin sinW cosS βεεW += ⑪ 时角的精确计算方式：;150a -J ⨯+++=r r f （忽略）β ⑫a0为视赤经，f 为真太阳时（忽略），r 为地方时，ε为视赤纬；)2623cos arctan(tan 0a ︒=d , );2623sin sin(sin a ︒=d rc ε太阳的视天顶距为;sin 9tan 0306-S S S S ''+'''''='利用最小二乘法进行拟合求观测地点的经纬度，杆子的高度与影长之间的关系: .tan )cos cos cos sin sinW (arccos tan H βεεW S L +='= ⑬ 当影长一定时，假设杆子高度H 与经度纬度的函数，即是当影长一定时, 可把由影长而推算的物高H 看作为纬度和经度的函数();W,J f H =，⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧'-=∂∂-+=∂∂S H S W t H 3'3sin /sin cos J cos L Jsin /)sin cos cos W cos (sin L W βεεε ⑭ 结合第一问所得的L-t 图，解微分方程求解经度大约106°，再用多项式拟合求经度与之比较。