地表比辐射率方向性研究是国际热红外定量遥感研究领域的热点与难点，现有的热红外沙地比辐射率方向性模型存在先验参数较多、精度较低、适用性差等问题。论文基于5个伪不变定标场，即Algeria3_1km、Algeria5_1km、Libya1_1km、Mauritania1_1km及Mauritania2_1km，综合利用长时序极轨卫星载荷AQUA/MODIS与静止轨道卫星载荷MSG/SEVIRI多角度观测数据，经过载荷相互校准、大气纠正、影像数据时空匹配等处理，基于热红外辐射传输方程，获取0~65°观测天顶角范围内各研究区方向性比辐射率，建立公里级像元尺度比辐射率方向性模型，并对其进行了不确定度评估。结果表明：地表比辐射率随观测天顶角增大而降低，其方向性效应随波段中心波长的增加而减小，Algeria5_1km区域的方向性效应最小，Mauritania1_1km区域的方向性效应最强；各研究区比辐射率方向性模型不确定度均随观测天顶角的增大而增大，模型不确定度均优于3%。

基于夜间大气层顶反射率方向性分布特性，提出了一个基于精确模拟夜间辐射传输过程的低照度遥感载荷在轨辐射定标性能评估新方法。即以南极雪地Dome C为研究区，以MT2009（Miller-Turner 2009）大气层顶月球辐照度模型和大气层顶双向反射分布函数（Bidirectional Reflectance Distribution Function，BRDF）模型模拟的夜间星上辐亮度值为基准，分析相同几何条件下，可见光近红外成像辐射计夜间光波段（Visible Infrared Imaging Radiometer Suit Day/Night Band，VIIRS DNB）观测辐亮度与基准值之间的一致性，发现在2018-2020年两者差值保持在4.97×10^-10 W?cm^-2?sr^-1左右，比VIIRS DNB最小探测阈值3×10^-9 W?cm^-2?sr^-1约低一个数量级，故从可接受的仪器灵敏度误差范围内，可判定VIIRS DNB载荷在美国极轨合作卫星（Suomi National Polar-orbiting Partnership，SNPP）和美国国家海洋和大气管理局（NOAA-20）上在轨辐射定标性能均非常优良。另外，基于距离校正后的SNPP VIIRS DNB和NOAA-20 VIIRS DNB辐亮度开展了VIIRS DNB载荷在轨辐射定标稳定性分析，发现相同月相角下两载荷辐亮度一致性在6%以内。

一氧化碳（CO）在热红外波段吸收强度弱且吸收区内具有较多的干扰信号，利用热红外数据反演高精度CO廓线的难度大。超光谱红外探测仪的开发和应用，为提升CO廓线的反演精度提供了可能。然而，随着超光谱热红外数据分辨率的上升、通道之间的间隔变窄，这在给数据引入特有可反演信息的同时产生大量冗余信息。为了保证反演精度和效率，有必要对通道进行选择来获取包含最大可反演信息的通道同时剔除冗余信息。提出了一种同时考虑通道灵敏度和权函数特性的峰采样通道选择方法，用于从超光谱红外数据中反演CO廓线。该方法首先通过分析通道对不同气体的灵敏度情况，去除受其他气体干扰较大的通道获得初选通道。然后，分析初选通道的权函数特性后发现，位于CO亮温变化谱线中峰顶和峰底的通道分别包含了不同大气层的CO反演信息，将这些通道选取为最终通道选择结果。以阿拉善沙漠地区、京津地区、长江三角洲及珠江三角洲的冬夏晴空大气为主要研究对象，比较峰采样法与最优灵敏度剖面法（OSP）所得的通道选择结果及相应的CO廓线反演精度。结果表明，该方法选择的通道比OSP方法选择的通道能覆盖更宽的光谱范围且包含更多的CO反演信息。而且，峰采样通道选择方法的应用可以有效提高本文所研究区域和季节的CO廓线反演精度，其中在阿拉善地区冬季大气条件下改善效果最为明显，反演结果的均方根误差（RMSE）由3.23×10^-8 g/g降至3.07×10^-8 g/g，平均反演精度提高了10.56%。