[发明专利]通用日晷三维仿真方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种通用日晷三维仿真方法及系统。

背景技术

日晷是中国古代在测时方面的一项伟大发明，利用它可以测定观测点上的真太阳时。在现代，日晷是天文学、地球概论、农业气象等课程教学中的一个直观教具，并且它同城市雕塑一样，能融入周围环境，增加城市雕塑的科学普及功能，凸现城市的科学氛围，提高城市雕塑的观赏价值。在校园、公园或旅游地建造日晷，既能观测时刻，又能在绿色环境中增添一道人文景观风景线，使其所在地既具有高雅的文化鉴赏品味，增强园林的观赏性，增加科技含量，又便于用它宣传有关地球运动的科学知识，有关时间的科学知识，树立正确的时空观念。吴振华提出了多种常用日晷晷面线图设计计算式及其相应的线图样式。李宏芸等通过各天球坐标的关系以及日晷的投影原理设计了球面日晷。他们只采用数学公式计算，比较抽象。

太阳高度角是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角，太阳高度角随着地方时和太阳的赤纬的变化而变化。太阳方位角即太阳所在的方位，指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，一般是以目标物的北方向为起始方向，以太阳光的入射方向为终止方向，按顺时针方向所测得的角度。

日晷主要由一根投射太阳阴影的晷针、承受晷针投影的投影面 (即晷面) 和晷面上的刻度线组成。当太阳照射在晷针上，晷针就会投影于晷面，随着太阳自东向西运动，晷影相应自西向东变化。晷针在晷面上形成的晷影，称为时刻线。

如图1所示，取日晷晷针在晷面上的插入点，作为地平直角坐标系的原点O，z轴正向指向天顶，负向垂直指向地平面；y轴正向指向正北方向，负向指向正南方向；x轴正向指向正东方向，负向指向正西方向；同时设晷针针端的位置矢量为c，它是以坐标系原点O为起点，指向晷针针端的矢量。设针端影位矢量为b，它是以坐标系原点O为起点，指向针端在地面的投影点p的矢量。设太阳光线矢量为a，它是以太阳中心点为起点，指向晷针针端的矢量。通过晷针针端的太阳光线a，使晷针针端在晷面上产生一阴影点p，连结晷针在晷面上的插入点O及阴影点p，即为该时刻晷针投射的晷影。

目前，研究日晷的主要方法有两种：时刻线图解法，时刻线角度测定法。其中，时刻线图解法是一种简单的方法，无须数字计算，但是必须画在比日晷大的一张纸上。时刻线角度测定法，可迅速确定时刻线的角度，不用计算，但是由于各种实测客观条件的限制，不能保证一天各时刻的时刻线角度能成功测定。这些日晷时刻线位置确定方法难于同时满足日晷建造单位在设置地点、晷面的朝向和倾角个性化要求，且人力、物力和时间花费大。

传统日晷设计只通过晷面线图设计计算式对晷面线图样式进行设计，过程比较抽象且不易理解，同时无法直观地预见日晷设计的效果，无法满足用户在设置地点、晷面的朝向和倾角方面的个性化要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是克服传统日晷设计中抽象和不易理解，提供一种通用日晷三维仿真方法及系统，同时以三维形式直观表示设计的日晷并对时刻线位置进行可视化模拟与分析。

本发明采用以下方案实现：一种通用日晷三维仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10：建立日晷晷面及晷针的三维模型；

S11：设置日晷晷面中心点的空间地理位置、倾角和朝向，设置晷针的倾角和朝向，建立日晷三维模型；

S12：根据日晷晷面中心点所在地理经度和纬度，采用太阳的天文参数计算算法，计算该地点不同时刻太阳高度角和太阳方位角；

S13：根据步骤S11中晷面和晷针的几何参数，结合日晷晷影形成原理，计算日出至日落之间各时刻晷针在晷面上所形成的影子的位置，得出各时刻线的位置；

S14：根据各时刻线的位置，动态模拟日出至日落任一时段内晷影在晷面上的运动轨迹，输出一天或一年日出至日落的模拟数据。

在本发明一实施例中，所述步骤S11中建立日晷三维模型包括以下步骤：

S111：设置晷面的中心位置；

S112：根据晷面的朝向，对晷面进行旋转变换角度；

S113：根据晷面的倾角，对晷面进行旋转变换角度；

S114：晷针一端放置晷面的中心位置，另一端指向一预设朝向，从而建立晷面与晷针的拓扑关系，形成日晷的三维模型。

在本发明一实施例中，所述步骤S13中计算日出至日落之间时刻线包括以下步骤：

S131：根据日晷晷面中心点所在地理经度和纬度，以地平直角坐标系为参考坐标系，采用太阳天文参数的计算算法得出该地点不同时刻太阳的几何参数；