叶片氮含量极大程度上影响植被生物化学过程, 有重要的研究意义。 利用机载高光谱数据反演叶片氮含量在农业遥感领域有广泛应用, 但其反演精度不能完全满足精细农业的需要, 有一定提升空间。 叶片氮含量遥感反演精度受机理误差和算法误差的影响, 机理误差主要来源于叶片表面反射。 传感器探测到的反射辐射既包含叶片内部多次散射, 又包含叶片表面镜面反射部分, 只有前者是携带叶片内部生化组分(如氮含量)信息的, 由于后者是入射光在叶表蜡质层发生的直接反射, 因此该部分并不携带叶片内部信息。 根据菲涅尔定律, 叶表镜面反射是部分偏振的, 而内部散射是非偏振的, 因而通过偏振反射建模可部分去除叶表镜面反射影响, 以消除机理误差。 算法误差主要来源于不同氮含量反演算法对于高光谱数据挖掘能力的差别。 比较了偏最小二乘法、 主成分回归、 支持向量机、 K-近邻算法和随机森林回归在高光谱叶片氮含量反演中的表现, 在调整算法参数之后, 选择使用随机森林回归算法以减少高光谱反演算法误差。 以常绿针叶林、 落叶阔叶林和针阔混交林为研究对象, 利用多角度偏振卫星POLDER/PARASOL的多光谱数据库构建二向偏振反射模型, 用以模拟和分析研究区森林的偏振反射率; 从HySpex传感器系统获取的机载高光谱数据中去除偏振反射率带来的光谱机理误差, 以实现叶片氮含量的精确反演。 以均方根误差为主要指标评估精度变化可获得以下结论: 在高光谱叶片氮含量反演中, 消除偏振反射率带来的机理误差后, 各算法反演精度均有提升, 平均提升了4.244%。 其中, 随机森林回归可以最大程度减小反演算法误差(可决系数达到0.803, 均方根误差达到0.252), 且对光谱偏振信息最为敏感, 去除偏振后精度提高了13.103%。 相比于广泛使用的偏最小二乘算法, 去除光谱机理误差并减小反演算法误差后, 叶片氮含量反演精度整体提高了32.440%。 该研究实现了基于机载高光谱数据的叶片氮含量精确反演, 证明了在叶片氮含量反演中去除偏振反射率的必要性, 体现了在高光谱氮含量反演中随机森林算法的应用潜力。

偏振探测是提高气溶胶卫星遥感能力的重要途径。 作为目前全球重要的偏振数据源, 我国高分五号卫星搭载的多角度偏振探测仪(DPC)能够测量不同的偏振量, 包括Stokes矢量偏振分量、 偏振辐亮度(L_p)和线偏振度(DOLP)。 各偏振量所包含的有效信息和测量误差不同, 进而影响气溶胶参数的反演精度。 针对此, 在最优估计反演框架下, 利用信号自由度(DFS)和后验误差定量化分析了各偏振量对气溶胶参数反演的影响, 为后续DPC气溶胶算法开发提供参考。 研究结果表明: Stokes矢量包含的信息量最高, 其次是线偏振度和偏振辐亮度, 相应的气溶胶总DFS分别为7.5, 6.1和5.2; 采用不包含偏振方向信息的L_P反演时, 复折射指数虚部和粒子谱有效方差的信息量比采用Stokes矢量和DOLP反演时显著下降, 表明这两个参数对偏振方向和测量误差敏感, 增加偏振方向信息和降低测量误差能够有效提高这两个参数的可反演性; 偏振方向的探测对提高气溶胶遥感能力有重要价值, 采用L_P和DOLP反演时, 气溶胶各参数的后验误差比采用Stokes矢量反演分别增加67.6%和65.5%, 其中细模态体积柱浓度和粒子谱有效半径受到的影响最大; 在全部气溶胶参数中, 复折射指数实部后验误差最小, 虚部的反演不确定性最大。 总体来说, 细模态气溶胶的三个参数(体积柱浓度、 复折射指数实部和粒子谱分布有效半径)在三种偏振量反演情况下平均DFS均大于0.85, 能够较好的通过DPC观测反演得到, 而粗模态气溶胶反演与气溶胶类型有关, 参数反演不确定性较大。

偏振遥感经验阈值云检测算法受主观因素影响较强，极易在亮地表上空出现云检测不准确的问题。针对该问题，本文提出了一种主动和被动遥感卫星相结合的机器学习云检测算法。该算法基于POLDER3载荷多通道多角度偏振特性以及CALIOP载荷高精度云垂直特性展开研究，利用POLDER3载荷和CALIOP载荷观测重合区域数据，搭建了粒子群算法优化的BP神经网络训练云检测模型。基于该云检测训练模型，利用POLDER3一级数据开展云检测试验，试验显示该算法云检测结果与MODIS云检测产品一致性为92.46%，高于POLDER3官方云检测产品与MODIS云检测产品的一致性83.13%。通过对比本文算法试验结果与POLDER3官方云检测产品不同的像元的光学特性发现，相比POLDER3官方算法，本算法对于亮地表上空薄云具有更强的敏感性，能更有效地进行云检测。

偏振遥感器的相对光谱响应度和带内光谱响应非一致性是遥感器实验室定标的基本参数。文中利用新型的超连续谱激光作为单色仪的前置照明光源，搭建了一套基于超连续谱激光-单色仪的细分光谱扫描定标装置，可用于偏振遥感器的相对光谱响应度定标。实验中以490 、670、910 nm三个偏振通道作为例，分别在单色仪直接输出光和单色光导入积分球两种状态下，得到通道式偏振遥感器的相对光谱响应度结果，并对两种状态下定标光源的偏振特性进行了测量。实验结果表明，单色仪直接输出光模式下，光源存在明显的偏振度和偏振方位角变化，三个偏振通道的带内光谱响应非一致性分别为0.91%、4.25%和1.06%；而在单色光导入积分球后，光源的偏振度明显降低，此时带内光谱响应非一致性结果分别为0.15%、0.47%和0.57%，说明消偏后的光源能有效适用偏振遥感器的光谱响应度定标，基于超连续谱激光-单色仪的系统级定标装置在偏振遥感器的定标中具有广泛应用前景。

多角度信息在扩展云检测功能、提高检测精度等优势的同时，带来多角度遍历计算的复杂度和数据规模增大的问题。云检测角度信息来自地表的二向性反射分布函数和大气分子散射效应，尽管在局部区域内存在用分析解确定某些观察角的可能性，但由于卫星运动观察几何变化、云几何因子的影响、地物调查的巨大工作量等实际应用的复杂性，POLDER等官方产品仍采用所有角度遍历计算。由于邻近角度间信息的冗余，文章用平均联合信息熵和K-L信息散度作为角度子集选择的特征，提出了Pareto多目标前沿最优解和理想解算法，在POLDER和“高分五号”卫星搭载的多角度偏振探测仪（directional polarimetric camera, DPC）的数据集上进行云检测实验。2角度组合结果与POLDER产品相比，总体精度89.36%，Kappa系数0.7845，DPC检测分类相似度86%，时间复杂度减少约1/7。实验表明所提方法在保持检测效果的同时具有降低计算开销的优点，可为云检测提供一种快速有效、满意精度和自动化运行的新途径。