太阳影子定位技术实现及在视频中的应用问题探讨毕业论

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1、摘要太阳影子定位技术是确定视频拍摄地点和日期的一种有效方法，也是视频数据分析的重要方面。本文对该技术的实现及在视频中的应用问题进行了探讨。针对问题一，由几何规则，得到影长、坐标、杆高、与太阳高度角的关系。再引入时间角公式、太阳高度与太阳方位角公式，与上述方程构成太阳时刻位置、直杆影子端点时刻位置确定的模型。然后对建立的模型，根据控制变量法，分析影子长度对各参数的变化规律。最后利用matlab绘制目标地点、已知时间段的影子长度变化曲线。针对问题二，建立初始模型，变换问题一中的方程组，得到涉及影子坐标、经纬度、日期的综合方

2、程。对这含两个未知参量的非线性方程，利用得到所得解受初值影响较大且空间分布较广。因此，为提高精确度，建立改进模型。首先对附件1的数据进行预处理，得到影子长度与时间关系式。通过求导取极值，得当地正午对应的北京时间，从而确定直杆经度值。再代入原方程组，得到只含一个参未知量的非线性一元方程。结合附件一的数据，再聚类分析即可得到可能若干点可能地点的经纬度。（附结果）针对问题三，在日期未知的条件下，综合问题二中的两个模型进行研究。首先由改进模型中影长-时间的关系确定时角，减少综合方程的未知参量。为提高模型精确度，同时防止解的丢失

3、，引入遗传算法的种群和适应度概念来筛选确定函数初值。将所得初值再代入原方程组，求出可能的地点及日期：（81.88E，35.809N，6月21日）、（110.79E,32.635N,12月22日）。针对问题四，按固定步长截取视频，将图片灰度网格化，并构建视频坐标系。通过灰度值区分影子与非阴影处。遍历每个带有灰度值的小格，求出此刻影子顶点坐标。通过坐标转换，则转换为问题二和问题三情形，分别求得已知拍摄日期和未知拍摄日期下的结果为：（112°10E，40°55N）关键词：1.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

4、分析的重要方面。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。我们首先需要建立影子长度变化的数学模型，分析各参数变化对影长的影响，并将此模型应用到实例中得到影长的变化曲线。然后需要针对已知若干太阳影子顶点坐标，有、无测量时的日期的两种情况，分别建立数学模型求解出直杆若干个可能的地点与日期。最后，我们需要根据一已知杆高的直杆影子变化的视频，建立数学模型，求出可能的拍摄地点，并探讨是否能据此也求出拍摄日期。2.模型假设1.准确性假设：假设视频中视场固定不动，可根据对视频处理，得到真

5、实数据集相应的影长等物理量信息；2.排他性假设：不考虑其他天体影响；忽略大气对太阳光的折射；忽略海拔对太阳高度角的影响；3.合理性假设：假设直杆周围无建筑物阻挡太阳光的照射；假设太阳系为一个近似球体，且地球与近似球体为同一球心；假设太阳绕地球在近圆形的椭圆轨道上运行。3.符号系统符号：时角t时间数A方位角(h)太阳高度角α：赤纬角β：太阳高度角γ：太阳方向角δ：纬度：经度X0,Yo:影子顶点位置n:24h制的时间数t:太阳某位置的方位时间直杆所在地的地理纬度L:根据视角公式:5.问题一的建模与求解假设:1.

6、假设太阳系为一个近似球体，且地球与近似球体为同一球心；2.假设太阳绕地球在近圆形的椭圆轨道上运行；3.（需说明X-Y坐标对应的方向，且说明其的方向设置对结果没有影响）5.1模型准备直杆影子形成原理一根直杆，其影子的位置在一天中随太阳的位置不断变化。假设某天某时刻的太阳位置如图1所示，。直杆垂直于地面立于地面上的杆高为H，太阳光线通过杆顶P点，在地面上形成一个影子点P‘，影子的长度OP‘为L。定义直杆影子端点P’的坐标为（X0,Y0）,地面的夹角为()，则其数学关系式为【1】：又据勾股定理，L=开根号（X0^2+Y0^2

7、）,二式联立得，说明：坐标系以直杆底端为原点，水平地面为xy平面。在未特别说明的情况下，默认为y轴对应正北方向，x轴对应正东方向。（图需改进）天球坐标系统的统一建立又杆所受的日照变化情况，是由地球自转及绕太阳公转引起的。以杆顶在阳光下产生的影子端点移动的轨迹，代替太阳运行轨迹。运用相对运动原理，将地球自转及绕太阳公转的运动简化为地球不动，太阳绕地球转动的系统。各角度参数的关系可由图（2）反映。赤道坐标系——赤纬角和时角地平坐标系——太阳高度角和太阳方向角5.3模型的建立由文献可知，太阳位置点L在天体中相对地球位置0上某

8、一点的相对位置，由该点的地理纬度、季节(月、日)和时间3个因素决定。通常用以太阳高度角h、方位角、赤纬角以及时角来表示太阳的相对位置参数。故我们可用太阳位置参数以及式（1）来表示直杆影子的顶点坐标轨迹。我们可得到如下的计算公式：赤纬角计算公式：【2】时角公式【3】为方便计算处理，在建模过程中全部用弧度表示，因此将上式改写为：太阳高