卫星对地遥感观测中，云和冰雪地表是两个重要的观测对象，由于它们辐射特性的相似性，使得冰雪区域上空云检测存在困难。针对高光谱观测卫星（高分五号02星）偏振载荷的数据特征，本文设计了一套冰雪上空云检测算法。该算法利用高分五号偏振载荷大气气溶胶多角度偏振探测仪和高精度偏振扫描仪的在轨探测多角度多光谱偏振辐射数据，协同进行云检测。首先，通过氧A带吸收通道的表观压强检测进行云和冰雪的初步区分，在此基础上利用多角度偏振散射特性进行冰雪上空的水云检测，利用卷云波段检测提高了冰雪上空的卷云检测效果，最后通过对常用的NDSI归一化雪指数进行改进，提高了冰雪上空的冰云检测精度。以格陵兰岛和南极区域为例，进行了冰雪上空云检测实验，并与成像时间相近的MODIS产品云掩膜产品MOD35进行比对，一致性分别为83.3%和94.4%。结果表明，本文提出的算法能够有效检测冰雪上空的云像元。

山区地形崎岖，高程变化较大，遥感影像地形效应明显，地物的光谱特征容易受到干扰，导致在分类过程中对遥感影像出现误分，不利于遥感信息的提取。基于辐射传输原理，利用Python开发了针对山区的大气校正算法。所提算法充分考虑了太阳直接辐射、天空散射辐射及邻近地表反射辐射对卫星入瞳处目标辐亮度的影响，可以有效地消除地形阴影的影响。利用所提算法，结合数字高程模型（DEM），对环境减灾二号01组卫星的CCD传感器的山区数据进行大气校正研究。分析结果表明：校正后的图像地形效应减弱，图像质量得到了明显的改善，反演得到的地表反射率与实地测量的地物光谱数据比较吻合，为进一步开展定量遥感研究提供了数据质量保障。

针对卫星载荷大气校正仪分系统PSAC在陆地上空气溶胶反演领域的应用需求，基于最优化反演框架，引入信息量和后验误差分析方法，讨论了不同观测模式下气溶胶和地表参数的信号自由度（DFS）的观测角度依赖性，给出了气溶胶和地表参数的后验误差。在此基础上，分析了气溶胶和地表参数的DFS随光学厚度（AOD）和地表反射率的变化趋势。研究表明：1）不同的观测几何下，气溶胶参数总的DFS有很大差异，反演气溶胶参数的最优散射角范围是140°～180°；2）任意观测角度，细粒子为主的细模柱浓度v0f，粗粒子为主的气溶胶柱浓度v0f和v0c能被反演出来，谱分布部分参数以及折射指数部分参数在大散射角能被反演获得；3）对不同AOD和地表反射率下参数的DFS分析，偏振信息的增加有助于亮地表下气溶胶参数的反演，增加短波红外波段能提升在AOD高值条件下对地表参数的获取能力。

大气气溶胶卫星偏振遥感探测中，地表偏振反射率估计是最重要的不确定因素之一，是气溶胶反演过程中地气解耦的重要环节。基于高分五号卫星大气气溶胶多角度偏振探测仪（DPC）近红外波段865 nm的多角度偏振观测数据，利用全球地基气溶胶监测网（AERONET）站点的气溶胶产品AOD L2.0与DPC数据进行时空匹配，筛选气溶胶光学厚度（AOD）低值数据，以减小气溶胶的影响，获取地表多角度偏振反射率数据。针对8种典型地表类型，基于DPC多角度偏振数据定量比较分析了Nadal-Bréon模型、Waquet模型、Maignan模型、Litvinov模型和Xie-Cheng模型5个半经验地表双向偏振反射分布函数（BPDF）模型的性能。研究结果表明，Litvinov模型和Nadal-Bréon模型所得的结果与实测数据可以较好地吻合，两个模型与DPC实测数据的相关性系数均值分别为0.958和0.952，均方根误差均值分别为0.202%和0.223%。研究结果为基于DPC数据估算地表偏振反射率提供了BPDF模型参考，为利用DPC多角度偏振数据反演气溶胶参数等应用提供了先验数据支持。

利用光学成像仪器进行水下资源勘测时,成像质量常因水中气泡干扰而降低。研究水中气泡环境辐射传输特性并分析其对光学仪器成像的干扰,对提升水下成像抗干扰能力具有重要指导意义。首先构建水中单气泡成像环境,模拟光在单气泡传输过程中辐射强度和偏振状态的变化趋势,得出单气泡界面处的传输相位函数;在此基础上,通过增加气泡数量,模拟水中多气泡成像环境下光的辐射强度和偏振状态随气泡分布的变化情况;最后基于几何光学近似理论进行蒙特卡洛模拟,仿真并得出不同气泡半径大小、不同光线传输路径尺度对光线在气泡群中前向和后向传输的影响。气泡理论分析、仿真计算和实测实验表明:光在气泡界面处产生的偏振态变化与观测几何具有强关联,当入射角较小时,光的穿透性较强,辐射强度衰减缓慢;随着传输距离路径增加,前向传输和后向传输的偏振度呈现相反的变化趋势;理论、仿真和实验结果三者基本保持一致。该研究可以为水下复杂环境目标偏振成像领域提供一定的参考。

强对流云团是气象领域重要的研究对象之一。利用大气气溶胶多角度偏振探测仪(DPC) 观测数据对强对流云团进行偏振辐射特性研究,为强对流云团识别提供多维信息。以强对流云团、台风云团和非降水云团为例,研究表明:强对流云团反射率高于非降水云团,且其反射率空间分布更均匀;在发展旺盛的强对流云团中大部分是冰晶粒子,只有边缘部分有液态水存在,而其他非降水云团的相态分布差异较大;在相近的照明和观测几何条件下,强对流云团偏振角空间分布的离散性大于非降水云团,且两者偏振角均值差异大;强对流云团的偏振角图像可以很好地表征其轮廓特征。

大气气溶胶是气候变化与遥感定量化等的重要影响因素, 研究气溶胶光学特性具有重要意义。基于高分五号卫星搭载的大气气溶胶多角度偏振探测仪 (Directional polarimetric camera, DPC) 过境中国区域的数据, 开展了气溶胶光学厚度的反演研究。基于矢量辐射传输模型 6SV 计算构建气溶胶光学特性查找表, 采用 Ross-Li 地表 BRDF 模型和半经验 NB 模型计算地表贡献, 利用标量与偏振的多角度信息和查找表方法, 反演气溶胶光学厚度。DPC 气溶胶光学厚度反演结果与中国区域的 AERONET 地面站点测量结果吻合性较好, 线性拟合度较高, 相关性系数大于 0.8, 验证了算法的可靠性, 为 DPC 有效监测气溶胶的时空分布提供技术支持。

地表热辐射时序变化模拟是红外场景仿真的核心环节。利用地表热传导差分计算地表热辐射是物理上较严谨的模拟方法, 但受限于差分方程边界条件的不确定性, 在红外场景仿真中未得到广泛应用。提出一种基于光照、气温、湿度等环境参数的地表热辐射时序变化计算方法。重点根据地质热环境变化规律设计闭环迭代过程, 自动修正初始和下边界热辐射值, 解决了边界条件的不确定问题, 提高了地表热传导计算精度和算法适应性。野外实验结果表明: 该算法计算温度与实测温度绝对误差小于2 K, 等效黑体辐射度相对误差小于3%, 为准确模拟红外动态场景提供基础。此外, 利用该方法对山区地表的热辐射分布时序变化进行了模拟, 显示了其在红外场景仿真方面的初步应用效果。