2021年9月成功发射的高光谱观测卫星 (高分五号 02 星) 是我国高光谱遥感能力的重要标志。该卫星定量化程度高, 装载的7台载荷中, 有6台具有在轨定标能力, 卫星除偏航90°场地定标和偏航太阳定标的工作模式外, 还设计了姿态机动对月定标模式。主要介绍了高光谱观测卫星的姿态机动模式和对月定标方案, 详细阐述了月球运动规律、机动对月定标的姿态机动模式、对月定标的观测窗口和角度, 并总结了月球定标的工作流程, 分析了对月定标过程的姿态指向精度、光照条件、星敏视场及卫星热控影响。分析结果表明, 在对月定标过程中, 卫星能够很好地适应机动过程带来的光照、外热流等外部环境的变化, 指向精度可以满足对月定标观测需求。

2021年9月7日发射的高光谱观测卫星是《国家民用空间基础设施中长期发展规划 (2015-2025)》中规划的一颗业务星，是我国高光谱遥感能力的重要标志。高光谱观测卫星运行于高度为705 km、降交点地方时为10：30的太阳同步轨道。针对细颗粒物探测，卫星配置了偏振交火传感器，通过由高精度偏振扫描仪 (POSP) 与大气气溶胶多角度偏振探测仪 (DPC) 构成的双偏振载荷的联合探测，获取观测区域的气溶胶光学厚度 (AOD)、PM_2.5等气溶胶信息。本文主要介绍了高光谱观测卫星总体技术方案和双偏振载荷方案，详细阐述了偏振交火模式设计要点，包括时统设计、光谱通道设置、光谱匹配设计以及视场匹配设计等工程设计。同时，对偏振交火模式的在轨性能进行了评估，评估结果表明：双偏振载荷的同步观测采集时间差优于0.4 ms，视场匹配误差优于0.066 POSP像元，满足反演应用需求。最后，对双偏振载荷在轨测量精度进行了交叉验证，验证结果表明辐射测量值与参考值拟合决定系数均高于0.96，线偏振度在轨交叉验证平均绝对差异优于0.0088，均满足在轨探测精度的设计要求。

2021年9月我国成功发射的高分五号 02 星［GF-5(02)] 上搭载有多角度偏振成像仪 (DPC) 和高精度偏振扫描仪 (POSP), 组成了“偏振交火”观测方案。为评价GF-5(02)卫星DPC传感器的在轨辐射性能, 基于2022年1月DPC和POSP观测数据, 采用海洋瑞利散射和“偏振交火”交叉定标两种方法, 实现了DPC在轨绝对辐射定标和视场内相对辐射一致性检验。结果表明, DPC/GF-5(02)在轨后的绝对辐射和相对辐射响应较发射前的实验室定标结果均未发生明显改变, 在轨前后各波段绝对辐射系数差异均小于5.3%, 视场内相对辐射响应变化均小于2%。其中, 443 nm波段瑞利散射和“偏振交火”交叉两种方法获得的绝对辐射定标系数一致性较高, 偏差约为2%；而490 nm和670 nm波段两方法定标结果偏差较大, 偏差分别为7.4%和7.7%。整体上, DPC/GF-5(02) 在轨后的辐射稳定性优于DPC/GF-5。

大气细粒子气溶胶主要来源于人类生产生活排放，可以反映人为活动对大气的影响，因此细粒子气溶胶光学厚度 (AOD_f) 是大气环境领域重要的基础大气参数之一。本研究基于查找表反演方法，利用高光谱观测卫星［GF-5 (02)] 多角度偏振成像仪 (DPC) 数据，得到2022年春季 (3―5月) 的全球陆表AOD_f，并通过AERONET对反演结果进行了初步验证。对AOD_f的分析结果表明：1) 全球陆表AOD_f分布呈现明显的南北差异，南半球基本为低值，北半球的高值区域主要集中在亚洲地区；2) 中国地区陆表AOD_f在“胡焕庸线”两侧差别显著，东南侧的高值主要集中在川渝腹地、华北平原和两广地区，而西北侧基本表现为低值覆盖，人为和自然因素均对AOD_f的分布有一定的影响；3) 南亚地区和非洲中-北部的AOD_f分布与当地燃烧活动产生的烟尘以及季风环流等因素有一定的相关性。此外，DPC的AOD_f数据与MODIS细粒子产品的对比结果表明二者的AOD_f高值区域分布基本一致，而DPC在高亮地表有着更为完整的反演结果，可以为全球和重点区域的大气环境监测提供支持。

山区复杂的地形特征会导致地表反射率估算误差增加，降低地气解耦精度，进而影响气溶胶反演精度。当前应用较广泛的反演方法有基于波段关系估算地表反射的暗目标算法 (DT)、基于区域地表反射率库的深蓝算法 (DB) 和基于双向反射分布函数 (BRDF)、双向偏振分布函数 (BPDF) 模型估算地表反射率的GRASP (Generalized retrieval of atmosphere and surface properties) 算法。为探究适合山区气溶胶遥感的地气解耦方法，利用地面气溶胶自动观测网 (AERONET) 气溶胶产品 (AOD_A) 对比分析了2005年至2013年间POLDER-3 (Polarization and directionality of the earth's reflectances) 的GRASP气溶胶产品 (AOD_G)、中等分辨率成像光谱仪 (MODIS) 的DT气溶胶产品 (AOD_DT) 和DB气溶胶产品 (AOD_DB) 在中国区域的精度。结果显示，非山区站点处AOD_G与AOD_A整体相关性最高 (R = 0.921)，AOD_DT和AOD_DB总体精度差异不大，但山区AOD_G高于期望误差的比例达79.87%，AOD_DT和AOD_DB高估程度分别增加了近30%和20%。在河北兴隆和兰州大学半干旱气候与环境观测站 (SACOL) 两个山区站点分季节验证显示，植被覆盖度低的秋冬季节三种卫星产品精度均存在下降趋势，表明除去地表植被对反射率的影响后，山区地形影响了地气解耦精度。进一步分析显示，山区起伏地形对基于BRDF、BPDF模型的地气解耦方法影响较大；在山区等起伏地表上空，多角度观测的地表波段关系更有利于精确估算地表反射，而在城区BRDF、BPDF模型与波段关系估算地表反射的误差水平接近。研究结果为进一步优化多角度观测 (如高分五号DPC) 的山区气溶胶反演算法提供了新的方向。

为探究多角度偏振在紫外波段对气溶胶层高 (ALH) 的探测能力，在不同的观测几何、气溶胶和地表类型等条件下系统评估了多角度偏振在紫外波段的ALH反演信息量。基于最优估计理论和信息量分析方法，分析了紫外波段365 nm和388 nm两个通道模拟仿真数据对ALH的灵敏度，并进一步讨论了不同观测组合对ALH信息量和后验误差的影响。研究结果表明：(1) 多角度偏振观测可有效提高ALH反演的信息量。(2) 多角度卫星观测信息量随观测角度个数的增加显著提升，当反演中使用的角度数增加到5个时，ALH的信号自由度 (DFS) 提升了0.4以上。(3) 添加388 nm波段偏振观测或365 nm波段强度观测这两种方案均能提升ALH的DFS。但相对而言，偏振观测方案受气溶胶模型误差影响更小，能更好地提升ALH反演的信息量，尤其是改善了低气溶胶光学厚度 (AOD) 条件下的ALH反演。

云检测对于遥感图像的应用具有重要意义。目前已有的云检测方法关于遥感图像的偏振信息研究较少，性能和泛化能力有限。为有效利用遥感图像偏振信息，提出了一种基于深度学习的多模态融合遥感图像云检测方法并进行了初步实验评价。该网络是一种三参数输入流架构，具有编码器-解码器结构，利用通道空间注意模块对遥感图像中的反射率特征和偏振特征进行多模态融合。在解码器上采样阶段，利用迭代注意特征融合方法融合高、低级特征映射。评价实验数据集来源于多角度偏振成像仪 (DPC) 云产品和云掩码产品。评价实验结果表明，所提出的网络模型实现了良好的云检测性能，识别准确率达到93.91%。

在遥感图像中，大面积的薄云会使得地物信息被遮蔽，从而对后续图像的判读以及应用产生极大的影响。为消除卫星图像中薄云对下垫面的影响，开发了针对多光谱图像的薄云检测与去除算法。该算法首先利用蓝绿波段合成外推波段，通过暗像元搜索，生成薄云厚度图 (HTM) 和薄云掩膜图，进而得到无云区像元与云区像元；再计算图像每个波段的HTM，利用外推波段的HTM与每个波段的HTM求得每个波段的线性回归系数，由该系数对图像进行薄云去除。将该方法应用于环境减灾二号 (HJ-2A/B) 卫星的多光谱图像，研究结果表明，对不同地表类型，薄云去除后图像质量均得到明显的提升，能够清晰地展现出薄云下覆盖的地物信息，并且不影响无云区域的图像质量。利用该算法进行薄云去除后，卫星多光谱图像的清晰度、对比度和标准差都有显著的提升，为后续图像应用提供了质量保障。