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IP屬地：湖北 上傳時(shí)間：2021-10-27 格式：DOCX 頁數(shù)：34 大?。?82.09KB 積分：28 舉報(bào) 版權(quán)申訴

1、太陽影子定位技術(shù)摘要本文以太陽影子定位技術(shù)為背景，結(jié)合直桿影子軌跡的變化規(guī)律建立數(shù)學(xué)模型。并運(yùn)用視頻數(shù)據(jù)分析的方法，確定拍攝地點(diǎn)及日期等地理信息條件。第一問給出了北京時(shí)間、拍攝日期，以及拍攝地點(diǎn)的經(jīng)緯度。我們可以結(jié)合太陽赤緯、時(shí)角、直桿的經(jīng)緯度與太陽高度角之間的關(guān)系建立模型，求出符合時(shí)間條件要求的太陽高度角，再根據(jù)已知的桿的高度和三角公式求出影長關(guān)于時(shí)間的變化曲線。第二、三問在第一問的基礎(chǔ)上增加難度，使部分變量未知。通過文獻(xiàn)查閱和方程推導(dǎo)，得出陰影運(yùn)動(dòng)軌跡形狀是雙曲線的一支，并且具體形狀和當(dāng)?shù)氐木暥纫约俺嗑曈嘘P(guān)，本文根據(jù)這點(diǎn)進(jìn)行模型假設(shè)與建立。附件中給出的坐標(biāo)并不一定是標(biāo)準(zhǔn)地理坐標(biāo)，通過對其進(jìn)

2、行坐標(biāo)變換，引入了實(shí)際坐標(biāo)系與標(biāo)準(zhǔn)地理坐標(biāo)系的偏角。在擬合多項(xiàng)高次變量組成的隱函數(shù)方程的過程中，為增加精確度，運(yùn)用最小二乘法進(jìn)行擬合求解未知參量時(shí)，可以利用直桿陰影頂點(diǎn)軌跡的形狀，建立參量和變量之間的關(guān)系，簡化需擬合的隱函數(shù)方程。這樣就可以根據(jù)太陽影子頂點(diǎn)橫縱坐標(biāo)以及對應(yīng)的時(shí)刻，把偏角、緯度、經(jīng)度、日期作為未知參數(shù)進(jìn)行擬合，得出要求的地理位置和相應(yīng)的日期。如通過對附件1數(shù)據(jù)的擬合求解可得到一組地理坐標(biāo)（東經(jīng)104.425度，北緯15.6578度），對附件2數(shù)據(jù)的擬合求解可得一個(gè)可能的日期6月21日，坐標(biāo)（東經(jīng)116度，北緯26度），由附件3得到的可能的日期地點(diǎn)為：6月21日，（東經(jīng)164.55

3、度，北緯71.26度）。為了便于定位，根據(jù)一般工程的實(shí)際需求，對美國天文學(xué)家紐康（New Comb）提出的太陽公式作了綜合、簡化，舍去了一些高階微小量。結(jié)合測量學(xué)的理論，用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行非線性擬合求得直桿所處的經(jīng)緯度。第四問給出一段視頻，實(shí)際是對前三問模型的實(shí)際應(yīng)用。本問對一些已有的論文以及專利進(jìn)行借鑒，創(chuàng)新與簡化。首先對視頻中的圖像進(jìn)行取幀，在灰度處理中因?yàn)榧夹g(shù)限制，改為運(yùn)用Matlab二值化處理。并根據(jù)簡單測量畫出運(yùn)行軌跡。運(yùn)用主元分析法求得陰影尖端坐標(biāo)與桿底坐標(biāo)的關(guān)系。確定影子的運(yùn)動(dòng)軌跡。之后借鑒已有成熟理論將2D圖像去畸變，恢復(fù)仿射的度量屬性，通過對3D圖形轉(zhuǎn)變2D過程的逆向推導(dǎo)，將坐標(biāo)

4、恢復(fù)為符合現(xiàn)實(shí)要求的坐標(biāo)。之后回歸前幾問建立的的日晷數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，得到一個(gè)可能的地理坐標(biāo)為（東經(jīng)104.9度，北緯25.33度）。并在最后進(jìn)行誤差修正。關(guān)鍵詞：日晷投影原理、桿影端點(diǎn)軌跡、非線性最小二乘法、主元分析法、 二值化處理、Floodfill圖論算法 一、問題重述如何確定視頻的拍攝地點(diǎn)和拍攝日期是視頻數(shù)據(jù)分析的重要方面，太陽影子定位技術(shù)就是通過分析視頻中物體的太陽影子變化，確定視頻拍攝的地點(diǎn)和日期的一種方法。1.建立影子長度變化的數(shù)學(xué)模型，分析影子長度關(guān)于各個(gè)參數(shù)的變化規(guī)律，并應(yīng)用建立的模型畫出2015年10月22日北京時(shí)間9:00-15:00之間天安門廣場（北緯39度54分26秒

5、,東經(jīng)116度23分29秒）3米高的直桿的太陽影子長度的變化曲線。2.根據(jù)某固定直桿在水平地面上的太陽影子頂點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型確定直桿所處的地點(diǎn)。將模型應(yīng)用于附件1的影子頂點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，給出若干個(gè)可能的地點(diǎn)。3. 根據(jù)某固定直桿在水平地面上的太陽影子頂點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型確定直桿所處的地點(diǎn)和日期。將模型分別應(yīng)用于附件2和附件3的影子頂點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，給出若干個(gè)可能的地點(diǎn)與日期。4附件4為一根直桿在太陽下的影子變化的視頻，并且已通過某種方式估計(jì)出直桿的高度為2米。請建立確定視頻拍攝地點(diǎn)的數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用模型給出若干個(gè)可能的拍攝地點(diǎn)。如果拍攝日期未知，能否根據(jù)視頻確定出拍攝地點(diǎn)與日期？2、 問

6、題分析2.1問題一的分析本問以直桿影子長度為研究對象，尋找影響影子長度與各個(gè)參數(shù)的關(guān)系及其變化規(guī)律。為了使影長的計(jì)算科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，我們應(yīng)了解太陽與地球之間相互的運(yùn)動(dòng)軌跡，由此計(jì)算出太陽對地球上某一定點(diǎn)的相對位置。這主要由當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥取⒓竟?jié)(月、日)和時(shí)間三個(gè)因素決定，可以用地理緯度()、太陽赤緯角()、太陽高度角(h)、及時(shí)角t等參數(shù)進(jìn)行定量表達(dá)。2.2問題二的分析由于附件中給出的直桿陰影頂點(diǎn)的坐標(biāo)系的x軸和y軸并不一定垂直或重合，有可能坐標(biāo)軸向與南北方向存在一定的偏角（）。本問根據(jù)太陽影子頂點(diǎn)橫縱坐標(biāo)的21組數(shù)據(jù)，對x和y的坐標(biāo)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，得到陰影頂點(diǎn)在新坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，該新坐標(biāo)系以正東

7、方向?yàn)閤軸正向，正北方向?yàn)閥軸正向，直桿底端為坐標(biāo)原點(diǎn)，由原坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)得到。這樣就可以由x和y求出相應(yīng)時(shí)刻的太陽方位角（A），再結(jié)合太陽高度角(h)的計(jì)算公式，經(jīng)過一系列化簡，可以得到經(jīng)緯度之間的關(guān)系。將經(jīng)緯度作為參數(shù)，利用Matlab進(jìn)行非線性擬合，選取合適的初值，即可得直桿所處地點(diǎn)的經(jīng)緯度。2.3問題三的分析該問題的求解可利用問題二建立起來的模型，將由日期確定的太陽赤緯作為未知參數(shù)，在Matlab中對時(shí)間和直桿影子長度進(jìn)行非線性擬合，選取合適的初值得到經(jīng)緯坐標(biāo)和日期的值。2.4問題四的分析本問考察基于視頻數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行太陽影子定位。從圖像或視頻中估算經(jīng)緯度是目前計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問

8、題，估算經(jīng)緯度不僅自身具有重要理論意義，而且它對計(jì)算機(jī)視覺問題也有積極的啟示意義。第四問提供的視頻，其中體現(xiàn)了標(biāo)志物的影子在一段時(shí)間內(nèi)的移動(dòng)軌跡。在這種條件下求經(jīng)緯度，實(shí)際上就是基于視頻中太陽影子軌跡來估計(jì)經(jīng)緯度的實(shí)際應(yīng)用。首先我們把視頻取幀處理得到影子的軌跡點(diǎn)，在擬合出地平線后，運(yùn)用計(jì)算機(jī)作圖的相關(guān)知識對坐標(biāo)進(jìn)行糾正后，把圖片上的2D坐標(biāo)恢復(fù)為實(shí)際中真實(shí)的3D坐標(biāo)，最后把問題回歸日晷模型算出經(jīng)緯度，并對因?yàn)榈胤綍r(shí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)引起的誤差進(jìn)行修正。三、模型假設(shè)1.將太陽光近似地看成平行光投射到地球；2.忽略太陽光受地球大氣層折射和漫反射的影響；3.地球和太陽在運(yùn)行中不規(guī)則變化和周期性變化產(chǎn)生的誤差忽略

9、不計(jì)；4.假設(shè)直桿所在的地面為水平的；5.忽略地球形狀對試驗(yàn)結(jié)果的影響；6.假設(shè)每天的時(shí)間為24小時(shí)整；7.假設(shè)所求日期均均為2015年日期。四、符號說明符號符號說明物體的地理緯度物體的地理經(jīng)度太陽對應(yīng)日期的赤緯角h太陽高度角A太陽方位角T時(shí)角H直桿長度五、模型建立及求解5.1問題一模型的建立及求解5.1.1模型的建立(1)影響影長的因素：其中h為太陽光線與水平地面的夾角，即太陽高度角；通過查閱目前國內(nèi)的大部分天文學(xué)文獻(xiàn)，可得太陽高度角的計(jì)算公式1，即：(2) 其中T為時(shí)角，可用計(jì)算，t為24小時(shí)制的當(dāng)?shù)貢r(shí)間;為赤緯角，其較精確公式為2：(3)式中稱日角，即(4)這里n又分兩部分組成，即n=N

10、-N0；式中N為積日，即日期在年內(nèi)的順序號；N0的計(jì)算公式如下：(5)其中INT(X)為取不大于X的最大整數(shù)。5.1.2模型的求解 根據(jù)問題一的題目已知，10月22日是2015年的第295天，即N=295。對于日照計(jì)算來說，地球和太陽在運(yùn)行中不規(guī)則變化和周期性變化產(chǎn)生誤差的數(shù)值相當(dāng)小，可以忽略不計(jì)。所以此赤緯角計(jì)算公式的結(jié)果較為精確，可以滿足計(jì)算影長變化曲線精度要求。由此可建立影長和北京時(shí)間的數(shù)學(xué)函數(shù)，并作出圖形。Matlab程序見附錄一，影子長度變化曲線見圖1。圖1 直桿的太陽影子長度的變化曲線5.2問題二模型的建立及求解5.2.1模型的建立（1）坐標(biāo)變換第二問的附件雖然在直桿所在的地平面處

11、建立了正交分解的x-y軸，但并沒有指明坐標(biāo)軸和地理正北方向的夾角。據(jù)此分析，可設(shè)為地平面坐標(biāo)系的x軸正向與正東方向的夾角。對x和y進(jìn)行下式給出的變換，可得直桿頂點(diǎn)在新坐標(biāo)系下的投影坐標(biāo)。變換如下：(6)（2）桿影端點(diǎn)移動(dòng)軌跡 關(guān)于桿影端點(diǎn)移動(dòng)軌跡的周年變化規(guī)律如圖2所示，該圖描繪了一年內(nèi)不同日期的軌跡。夏至日和冬至日是太陽直射點(diǎn)移動(dòng)方向發(fā)生轉(zhuǎn)換的日期，春分日和秋分日是直射點(diǎn)的南北半球位置轉(zhuǎn)換的日期。因此，選擇的這幾個(gè)日期具有較強(qiáng)的代表性。在圖中，AA、CC、EE依次表示冬至日、兩分日、夏至日的軌跡，BB、DD表示介于二分二至日的軌跡（如立冬和立夏），該圖清晰的反映除兩分日之外，其余日期的軌跡圖

12、都是雙曲線中的一條。圖2 桿影端點(diǎn)移動(dòng)軌跡的周年變化規(guī)律而對于具體的某一天中直桿陰影頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡的描繪，則可以借助Analemmatic日晷的模型來描繪。在這種日晷的模型中，日晷采用了垂直的指時(shí)針，它的時(shí)間線是赤道日晷的時(shí)間線在地平面的投影水平方向指示東西軸，垂直方向指向南北軸，投影日晷的位置沿著短軸移動(dòng)，如圖3所示。因此具有時(shí)間一致對應(yīng)關(guān)系的陰影軌跡如果投影到水平平面上將得到一個(gè)二次曲線，二次曲線的對稱軸位于南北方向指示軸上。軌跡的形狀與當(dāng)?shù)氐木暥纫约疤栔鄙潼c(diǎn)的緯度即太陽赤緯有關(guān)，而太陽赤緯又與日期相關(guān)，故軌跡的形狀與當(dāng)?shù)氐木暥群腿掌谙嚓P(guān)聯(lián)。圖3 日晷模型及影子變化規(guī)律變化規(guī)律（3）太陽

13、方位角和太陽高度角有了（1）得到的新坐標(biāo)，就可以用來表示太陽方位角的正切值。由天文學(xué)的相關(guān)知識3，可以得到以下等式：(7)A為太陽方位角，并且(8)又因太陽高度角公式為(9)以及(10)聯(lián)立化簡可得到如下等式：(11)其中(12)(13)5.2.2模型的求解根據(jù)表格附件一做出桿影的軌跡圖如下圖4 附件一桿影頂點(diǎn)軌跡圖對上述結(jié)果進(jìn)一步化簡可得：(14)其中(15)上式建立了陰影頂點(diǎn)坐標(biāo)與時(shí)間（t）、經(jīng)度（）、緯度（）以及所用坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系之間偏角（）之間的關(guān)系模型。由于附件已給出直桿陰影頂點(diǎn)在每一時(shí)刻的實(shí)際坐標(biāo)，可以將其它待求的量作為未知參量，基于非線性最小二乘法在Matlab中對Y和t進(jìn)行

14、擬合，結(jié)合地理資料選取合適的初值求得直桿可能的地點(diǎn)。我們得到了（104.4249E，15.65784N）、（33.0454E，16.7577N）等地點(diǎn)。5.3問題三模型的建立與求解5.3.1模型的建立基于問題二的模型，我們很自然地得出問題三的模型：(16)其中為太陽赤緯，是與日期有關(guān)的量，問題三相對于問題二的變化是日期作為參量是未知數(shù)。結(jié)合問題一中赤緯的計(jì)算公式，可用日期N表示出。這樣就得到了含緯度、經(jīng)度、日期N、偏角四個(gè)未知參量的隱函數(shù)方程，也就是問題三的模型。5.3.2模型的求解類似于問題二的求解，先畫出附件二、三中桿影端點(diǎn)軌跡的變化規(guī)律如下圖： 圖5 附件二桿影端點(diǎn)軌跡圖圖6 附件三桿影

15、端點(diǎn)軌跡圖關(guān)于時(shí)間的已知參量在第三問中變?yōu)槲粗獏⒘?，因此可以在Matlab中調(diào)用非線性擬合函數(shù)擬合隱函數(shù)方程來求解緯度、經(jīng)度、日期N、偏角四個(gè)未知參量。對于附件二日期和地理坐標(biāo)的求解，通過選取合適的不同初值，我們得到了以下不同的地點(diǎn)和日期，如下所示：（1）6月1日，（21N,101E）（2）6月21日，（30N,122E）（3）6月21日，（26N,116E）其中括號內(nèi)為該地點(diǎn)的經(jīng)緯度。對于附件三，我們也求解出了一系列點(diǎn)，如下所示：（1）6月21日，（71.26N，164.55E）（2）6月21日，（52.85N，140.11E）5.4問題四模型的建立與求解5.4.1模型的建立問題四實(shí)質(zhì)與問題

16、三的原理相同，都是給定時(shí)刻和該時(shí)刻下現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)系中的橫縱坐標(biāo)，求解日期與地理坐標(biāo)；不同點(diǎn)在于本題的坐標(biāo)并不是直接給出的，需要借助視頻處理技術(shù)從中提取出桿影端點(diǎn)的坐標(biāo)。因此，基于對問題二、三的分析可以建立問題四的模型，即：(17)模型與問題三相同。5.4.2模型的求解（1）從視頻中提取桿影端點(diǎn)坐標(biāo)觀看時(shí)長為40分鐘的視頻錄像，根據(jù)直桿的高度為2m，并結(jié)合圖中桿長和影長的比例關(guān)系，即可求得實(shí)際的桿影的長度隨時(shí)間的變化情況。但眾所周知，廣角鏡頭所產(chǎn)生的圖片或視頻都存在較為明顯的透視畸變，即被攝體離鏡頭越遠(yuǎn)，在屏面的成像越小。為了避免透視畸變對實(shí)際影長測量帶來的影響，引入主元分析法解決桿影尖點(diǎn)的確定問題

17、。本題模型引用一種半自動(dòng)輸入陰影軌跡檢測的方法，首先以1分鐘為單元對所給視頻做取幀處理，形成一組圖片 并構(gòu)建背景圖片B：(18)在B中，每一個(gè)像素點(diǎn)（x,y）是V中最亮的像素點(diǎn)，且是基于灰度級的。設(shè)置背景絕對差值，陰影點(diǎn)就可以顯示出來。然后在陰影區(qū)域運(yùn)用floodfill圖論算法進(jìn)行陰影點(diǎn)計(jì)算，最后的突出陰影點(diǎn)用主成分技術(shù)（PCA），我們同時(shí)運(yùn)用MATLAB對圖像進(jìn)行二值化處理獲得效果如圖8所示。圖8 二值化圖求相對坐標(biāo)以直桿底端為原點(diǎn)建立正交的x-y坐標(biāo)系，單位為像素點(diǎn)。結(jié)合主元分析法（PCA）合理得到準(zhǔn)確的陰影運(yùn)動(dòng)軌跡。（2）相機(jī)模型，消隱點(diǎn)的確定以及對圖像的糾正處理世界坐標(biāo)中陰影點(diǎn)的位置

18、取決于投影物所在緯度位置以及太陽光朝向與投影平面之間的幾何關(guān)系。第四問進(jìn)行的緯度估計(jì)技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)視圖的研究算法，采用幾何分析算法來進(jìn)行視頻地理位置的估算。由于存在透視畸變，照片中的景物會和實(shí)際景物有很大的差別。我們生活中有許多透視變化的例子：照片中的景物輪廓形狀改變，但透視變化下只有直線被保留。所以，本問的數(shù)學(xué)模型我們在歐式幾何中加入一些無窮遠(yuǎn)的理想點(diǎn)形成透視空間，定義一個(gè)平面透視幾何變換作為任何平面中點(diǎn)以保持直線性的映射。在進(jìn)行地理經(jīng)緯度定位中，視頻和相機(jī)校準(zhǔn)是十分重要的一步，要進(jìn)行平面但因性變換。在透視相機(jī)的作用下，有些幾何屬性是保持的，例如共線性，即一條直線透視變換后仍為一條直線，然

19、而一般的透視情況下平行直線將6不再保持平行。透視幾何模型決定了透視效果同時(shí)也提供了相應(yīng)計(jì)算的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在計(jì)算機(jī)視覺中，視覺幾何是用來研究在各種變化下仍然保持不變的屬性。從這個(gè)角度來分析，2D的透視幾何就是來研究在2D平面下經(jīng)過各種變換之后仍然保持不變的屬性特征。這種2D平面變換對于點(diǎn)或者直線來說是不可逆的。另外，透視變換的逆變換也是一種透視變換，所以這種變換同時(shí)存在兩種變換：共平面變換和透視變換，也叫做平面單應(yīng)性。為了理解這種變換，可以假設(shè)用一個(gè)三維向量來表示一個(gè)二維空間的點(diǎn)x，那么Hx就是這個(gè)點(diǎn)經(jīng)過平面線性變換后得到的齊次坐標(biāo)。這種變換法則認(rèn)為任何透視效果都會引起齊次坐標(biāo)的線性變換，并且逆

20、變換也是這種線性透視。一個(gè)平面透視變換是一個(gè)采用三維向量的線性變換，可以用一個(gè)3×3的矩陣表示：(19)一個(gè)透視變換能把每一個(gè)照片投影成為一個(gè)透視等價(jià)的照片，并且保留所有的不變屬性。由此可見，經(jīng)過相機(jī)中心的直線定義了一個(gè)平面與另一個(gè)平面的變換關(guān)系。實(shí)際上，如果兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)都是歐式空間系統(tǒng)，那么這種由中心透視變換決定的映射就會比任意的透射變換要產(chǎn)生更多的限制，而這就叫做透視變換而不是完全的投影變換。2D平面的等度量變換能夠保留歐氏距離不變，一個(gè)等度量變換可以表示成：(20)相比之下，給定一個(gè)投影變換面積的等級大小變換隨著位置的不同而發(fā)生變化。例如在透視變化下,相同平面中一個(gè)較遠(yuǎn)的正方形

21、會比較近的正方形具有更小的透視結(jié)果。并且經(jīng)過投影變換的直線的朝向不僅依賴于原始直線的朝向而且依賴于它的位置。在本文實(shí)現(xiàn)平面單應(yīng)性計(jì)算的過程中,需要一個(gè)重要的步驟：對投影變換進(jìn)行分解。一個(gè)投影變化可以被分解成一系列的變化,其中每一個(gè)矩陣都比前一個(gè)具有更高級的變換。(20)其中A是一個(gè)非奇異矩陣，K是一個(gè)上三角矩陣并且它的行列式為1。這種分解只有在v不等于的時(shí)候才成立，并且當(dāng)s被確定才會有唯一的分解結(jié)果。分解出來的三個(gè)矩陣代表了相應(yīng)類型變換的實(shí)質(zhì)變化。考慮到從透視照片中進(jìn)行校準(zhǔn)，HP將直線恢復(fù)到無窮遠(yuǎn)；HA影響了仿射屬性，但是沒有將直線恢復(fù)到無窮遠(yuǎn)；最后HS代表一般相似變換，并且不會影響仿射或者透

22、視屬性。從照片中進(jìn)行透視糾正的目的是消除透視照片中的投影畸變，以便得到相似屬性，即角度和長度比值等可以直接從照片平面中測量。投影畸變可以通過照片平面中的四組對應(yīng)點(diǎn)來消除，并且能夠明確的計(jì)算出參考點(diǎn)與相應(yīng)的像點(diǎn)之間的映射。而這實(shí)際上過度具體化了幾何關(guān)系，這是因?yàn)橐粋€(gè)投影變換與相似變換比較起來只有四個(gè)自由度，所以僅僅需要指定四個(gè)自由度而非八個(gè)就可以確定度量屬性了。在投影幾何中，這四個(gè)自由度給出了幾何物體的物理形狀：消隱線提供了兩個(gè)自由度，兩個(gè)虛圓點(diǎn)也提供了兩個(gè)自由度。因此，當(dāng)消隱點(diǎn)直線的像被確定了，那么透視畸變就可以被消除了，同時(shí)如果虛圓點(diǎn)被確定了，仿射畸變也會被消除。因此，唯一的畸變就是相似變換

23、了。在投影變換下，一個(gè)理想點(diǎn)被映射到一個(gè)有限的點(diǎn)，因此消隱線被映射到一條有限的直線。但是，如果這種變換是仿射的，那么消隱線不會被映射為有限的直線而是仍然保持在無窮遠(yuǎn)的位置。這種變換的逆變換也是成立的，即如果仿射變換是保持無窮遠(yuǎn)直線的最一般的線性變換。但是消隱線上的點(diǎn)對于仿射變換不是點(diǎn)對點(diǎn)的保持。也就是說消隱點(diǎn)經(jīng)過仿射變換后得到的點(diǎn)雖然位于消隱線上，但是卻不是原來的點(diǎn)。一旦照片平面中無窮遠(yuǎn)處的直線被確定了，那么就有可能實(shí)現(xiàn)原始平面上的仿射測量。例如，原始平面上的平行直線可以被識別為平行，如果這些直線相交于無窮遠(yuǎn)直線的話。這是因?yàn)闅W式平面中的平行線相交于無窮遠(yuǎn)的直線，在經(jīng)過仿射變換后這些直線仍然相

24、交于無窮遠(yuǎn)直線的像，因?yàn)橥敢曌儞Q下的相交是保持的。類似的，一旦無窮遠(yuǎn)的直線被確定了，一條直線上的長度比值就可以通過三個(gè)點(diǎn)確定的交比來確定。但是，稍微彎曲的直線卻是更適合這種計(jì)算上的算法，這是因?yàn)閮H僅需要簡單地將消隱線變換到它的原始位置。實(shí)現(xiàn)了這種變換的投影矩陣可以應(yīng)用到任何點(diǎn)中來實(shí)現(xiàn)仿射糾正，也就是經(jīng)過了這種變換，仿射測量可以直接從校正后的照片中獲得。根據(jù)以上分析編寫程序，對圖像處理得到視頻對應(yīng)的三維空間內(nèi)的數(shù)據(jù)，并用Matlab擬合，結(jié)果如圖10。圖10 視頻中桿影端點(diǎn)軌跡變化的俯視圖這樣，我們就從視頻中提取出了一組點(diǎn)如下，由于篇幅原因，在此只羅列其中的某幾個(gè)點(diǎn)，詳細(xì)數(shù)據(jù)在附錄六中。時(shí)間/h

25、8.928.938.958.978.989.019.029.03x值804795786780780772766760y值-15-15-15-15-13-13-12-12（3）編程求解求解過程與問題三的求解過程類似，賦初值后得到一個(gè)可能的拍攝地點(diǎn)為（25.33N，104.90E）詳細(xì)的程序代碼見附錄六。5.5問題五 此問題與問題三相同，可將日期作為未知參量，通過擬合得到日期，詳細(xì)過程類似于問題三。6、 誤差分析及敏感度分析將通過數(shù)學(xué)模型求解的數(shù)值與使用經(jīng)緯儀和有水準(zhǔn)器的支架所實(shí)際觀測到的直桿影長相比較。本模型方法的誤差約為，對50m內(nèi)的物高的測量精度可達(dá)厘米級要求。由于擬合的函數(shù)過于復(fù)雜，參量與

26、變量之間并不能用顯性的關(guān)系表示出來，這就給對模型進(jìn)行的靈敏性分析造成困難，因此，我們通過定性的分析來說明某一參量的變化對其它量造成的影響。在范圍和步長給定的情況下，下圖為遍歷所有可能的初始點(diǎn)得到的擬合出的參數(shù)的分布情況。從圖中可以看出，擬合得到的點(diǎn)大概率地分布于某一特定區(qū)域，這說明建立的模型較為合理。圖11 不同初值下的所求參數(shù)的分布 七、模型的評價(jià)及改進(jìn)6.1視頻數(shù)據(jù)分析的優(yōu)點(diǎn)本文提供的太陽影子定位的數(shù)學(xué)模型，對于光照研究以及航空攝影、精密水準(zhǔn)測量的最佳時(shí)間段的選擇有一定的意義。此數(shù)學(xué)模型還可以推廣到生活中高層建筑群的合理布局和農(nóng)林間種的最佳距離及林帶走向的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。第四問建立的視頻經(jīng)緯度

27、分析模型也有廣泛的應(yīng)用。即使粗略的經(jīng)緯度估計(jì)也能夠提供有用的線索，預(yù)測當(dāng)?shù)貧鉁?、平均降雨量等大量背景信息?.2模型求解的不足 由于求解參數(shù)采用的是曲線擬合的方法，其對初值的依賴性較大，初值設(shè)置的不合理就有可能造成結(jié)果誤差較大，導(dǎo)致精確性較差。八、參考文獻(xiàn)1 陳曉勇,鄭科科.對建筑日照計(jì)算中太陽赤緯角公式的探討,浙江建筑,第28卷,2011.2建筑設(shè)計(jì)資料集編委會.建筑設(shè)計(jì)資料集M.2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1994:179-185.3 林根石,利用太陽視坐標(biāo)的計(jì)算進(jìn)行物高測量與定位,南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),第15卷,1991.4吳濟(jì)廉,影端軌跡周年變化的實(shí)踐與分析以北溫帶地區(qū)為例.地理教學(xué),

28、2013年第10期.5吳濟(jì)廉.關(guān)于桿影端點(diǎn)移動(dòng)軌跡的討論與求證.中學(xué)地理,2011年第3期.6天津大學(xué).基于視頻中太陽影子軌跡的經(jīng)緯度估計(jì)方法:中國,200910067817.2012-04-11.九、附錄附錄一：Year=2015;N=295; %N為積日t0=9:0.1:15;T=(t0-12-0.24)*15*pi/180; %T為時(shí)角fai=39.9072*pi/180; %fai為物體的地理緯度H=3;N0=79.6764+0.2422*(Year-1985)-fix(Year-1985)/4);t=N-N0;c=2*pi*t/365.2422; %c為日角delta=0.3723+

29、23.2567*sin(c)+0.1149*sin(2*c)-0.1712*sin(3*c)-0.758*cos(c)+0.3656*cos(2*c)+0.0201*cos(3*c);delta0=delta*pi/180;sinh=sin(fai)* sin(delta0)+cos(fai)*cos(delta0)*cos(T);L=H./tan(asin (sinh);plot(t0,L);title('影長變化曲線')xlabel('北京時(shí)間t')ylabel('影長')附錄二：%本函數(shù)求解赤緯角function delta = chiwe

30、i(N,Year)N0=79.6764+0.2422*(Year-1985)-fix(Year-1985)/4);%求解積日a=N-N0;c=2*pi*a/365.2422;delta=0.3723+23.2567*sin(c)+0.1149*sin(2*c)-0.1712*sin(3*c)-0.758*cos(c)+0.3656*cos(2*c)+0.0201*cos(3*c); %求解赤緯角end附錄三：附件一求解程序：clear;%clc a=10.6306*pi/180;F=(p,x)(1-x(:,2).*tan(p(1)./(x(:,2)+tan(p(1)-sin(p(2)*pi/1

31、80).*cot(p(3)/15-x(:,1)-20)*15*pi/180)+tan(chiwei(108,2015)*pi/180)*cos(p(2)*pi/180)./sin(p(3)/15+x(:,1)-20)*15*pi/180);x=14.7 0.59093101814.75 0.57443063214.8 0.55867608914.85 0.5435737514.9 0.52917945214.95 0.51536085615 0.50208868915.05 0.48933541415.1 0.47703894715.15 0.46524911615.2 0.453839723

32、15.25 0.4428299315.3 0.4321740915.35 0.42188874215.4 0.41193212215.45 0.40226832515.5 0.39289045715.55 0.38379141515.6 0.3749206915.65 0.36631837215.7 0.357917966;p0=8 36 115%賦初值warning off p=nlinfit(x,zeros(size(x,1),1),F,p0); disp(num2str(p); plot(x(:,1),x(:,2),'ro');hold on; ezplot(x,y)F(

33、p,x,y),0,1,-1e-3,1e-3); title('擬合曲線');legend('樣本點(diǎn)')附錄四：附件二求解程序：clear;clc F=(p,x)(1-x(:,2).*tan(p(1)./(x(:,2)+tan(p(1)-sin(p(2)*pi/180).*cot(p(3)/15+x(:,1)-20)*15*pi/180)+tan(chiwei(p(4),2015)*pi/180)*cos(p(2)*pi/180)./sin(p(3)/15+x(:,1)-20)*15*pi/180);x=12.68 -773 -6.392

34、06349212.78 -5.76806640612.83 -5.24103495212.88 -4.7882003412.93 -4.39840319413.98 -4.05427817613.03 -3.75125089313.08 -3.48197278913.13 -3.2402597413.18 -3.02175264113.23 -2.82349433513.28 -2.64248853213.33 -2.47720364713.38 -2.32497331913.43 -2.1836945313.48 -2.05323669113.53 -1.9318622713.58 -1.8

35、1794630213.63 -1.71163536413.68 -1.611730598;p0=5 40 116 250%賦初值warning off p=nlinfit(x,zeros(size(x,1),1),F,p0)plot(p(3),p(2),'.');hold ondisp(num2str(p); plot(x(:,1),x(:,2),'ro');hold on; ezplot(x,y)F(p,x,y),0,1,-1e-3,1e-3); title('擬合曲線');legend('樣本點(diǎn)')附錄五：附件三求解程序：cl

36、c F=(p,x)(1-x(:,2).*tan(p(1)./(x(:,2)+tan(p(1)-sin(p(2)*pi/180).*cot(p(3)/15+x(:,1)-20)*15*pi/180)+tan(chiwei(p(4),2015)*pi/180)*cos(p(2)*pi/180)./sin(p(3)/15+x(:,1)-20)*15*pi/180);x=13.15 0.34883093513.2 0.3667377413.25 0.38478430913.3 0.40294684813.35 0.42128134713.4 0.43975703413.45 0.45836359213

37、.5 0.47717150913.55 0.49610263613.6 0.51522603813.65 0.53450633613.7 0.55396733713.75 0.57360236213.8 0.59342265513.85 0.61345357113.9 0.63365129713.95 0.65407712214 0.67470503914.05 0.69555806214.1 0.71661992414.15 0.737931245;p0=5 26 115 222;%賦初值warning off p=nlinfit(x,zeros(size(x,1),1),F,p0); di

38、sp(num2str(p); plot(x(:,1),x(:,2),'ro');hold on; ezplot(x,y)F(p,x,y),0,1,-1e-3,1e-3); title('擬合曲線');legend('樣本點(diǎn)')附錄六：問題四求解程序：clear;clc F=(p,x)(1-x(:,2).*tan(p(1)./(x(:,2)+tan(p(1)-sin(p(2)*pi/180).*cot(p(3)/15+x(:,1)-20)*15*pi/180)+tan(chiwei(p(4),2015)*pi/180)*cos(p(2)*pi/18

39、0)./sin(p(3)/15+x(:,1)-20)*15*pi/180);x=8.9 8.916666667 8.933333333 8.95 8.966666667 8.983333333 9 9.016666667 9.033333333 9.05 9.066666667 9.083333333 9.1 9.116666667 9.133333333 9.15 9.166666667 9.2 9.216666667 9.233333333 9.283333 9.333333 9.42 9.5 9.57-1.552118549 -1.552141775 -1.551930641 -1.551714674 -1.554131203 -1.554131203 -1.555253537 -1.555131812 -1.555008165 -1.55760448 -1.557499238 -1.558764822 -1.558700143 -1.558634764 -1.559897576 -1.561154752 -1.562509224 -1.563803434 -1.562321953 -1.5510248