大气程辐射是太阳辐射在大气传输过程中经大气中气体分子、气溶胶、冰晶等粒子散射后直接到达遥感传感器的辐射。由于大气成分在空间分布的不均匀和大气的污染,随着空气组分和气溶胶含量、形状、性质、粒径、浓度等因素的空间分布差异,卫星遥感图像上各点的大气程辐射亮度是不同的。这些不同的大气程辐射遥感值是太阳辐射在大气传输过程中与不同地点的不同空气组分和气溶胶相互作用的结果,可表征着该点地面上空的大气状况和质量,具有重要的研究价值。遥感技术中大气程辐射值,是与地面状况无关,表征大气质量状况的天空光亮度遥感分量。作为对地探测技术的遥感而言,大气程辐射遥感值是叠加在地面遥感值(强信息)上,与地面信息无关的大气干扰,属于大气弱信息。如何将大气弱信息与地面强信息分离,从遥感数据中挖掘、提取大气信息,成为制约遥感图像的精确大气修正以及提高大气环境污染遥感定量监测精度的关键问题之一。本文以MODIS遥感数字图像为主要研究对象,在基于实测数据的MODIS地面反射率产品优化的基础上,提出了一种在复杂地面背景下计算非均匀大气程辐射的数学优化算法,并围绕生成的大气程辐射遥感数字图像进行了相关应用研究。本文的主要研究和创新工作如下:(1)提出了一种基于实测数据的MODIS地面反射率反演优化模型。该模型充分结合基于多时相图像的MODIS地面反射率优化算法、针对MODIS图像的6S反演模型以及基于ASD野外光谱辐射仪的实测反射率理论数学模型三种模型优点,构建了一种基于实测数据的MODIS地面反射率反演优化模型。该模型可有效抑制MOD09中的大气和云信息,进一步优化MOD09的地面反射率,得到了逼近地面真实反射率的图像值,实验表明MODIS前7波段平均校正误差可降低55.42%。(2)提出了一种基于智能蚁群算法的MODIS遥感影像的水体检测方法。该方法在基于谱间关系法和归一化植被指数法的基础上,结合智能蚁群算法,重点解决了水陆交界处水体间断识别问题、大型湖泊识别问题以及线状河流断流续接问题。实验结果表明,在长三角区域,该方法可以在识别太湖的基础上,有效优化续接黄浦江和钱塘江江面宽度比较小的上游地区,与NFGIS标准数据库相比,平均差异系数仅为9.525%。(3)提出了一种面向水体的大气程辐射计算算法。该算法有效结合水体暗像元法与卫星遥感数字图像的点成像公式,推导出一种新的水体大气程辐射计算公式。该算法可有效避免由于水体的镜面反射特性使水体像元的大气程辐射计算结果产生较大偏差的缺点,提高了水体大气程辐射精度。(4)提出了一种基于SVM算法的MODIS遥感影像的云检测方法。该方法有效结合了基于NDVI、近红外反射率比值、可见光反射率的云检测方法和SVM算法,在保证成片厚云被识别的前提下,利用SVM算法重点检测离散薄云像素点,提高了云检测的准确度,避免了由于云误判产生的后续大气程辐射误差。(5)提出了一种非均匀大气程辐射的数学优化方法。该方法从光学遥感影像的点成像公式出发,通过对太阳辐射传输机制机理的分析,研究了不同种类像元大气程辐射遥感值的计算机制与方法,建立了非均匀大气程辐射的数学优化模型。该方法使用IDL语言编写软件,实现了利用原始遥感数字图像和对应地面反射率计算机生成大气程辐射遥感图像。与传统6S模型相比,新方法计算得出的大气程辐值相对误差较小,低于10%,满足精度要求,并分析了地面反射率误差对大气程辐射反演误差影响,验证了大气程辐射符合反演空气污染指数的应用条件。(6)提出了一种基于非均匀大气程辐射的API反演算法。该算法是以一种新的基于大气程辐射图像的大气本底估计数学模型为前提,以大气程辐射遥感影像和同一时间不同地区有限的API值为数据基础,提出的一种非均匀API空气污染图像反演算法。该算法可有效反演区域连续API值,且API反演精度满足大气污染监测误差范围要求,为大气程辐射未来应用提供可行性方向。