传统的场地反射率观测主要依靠人工方式,采用便携式地物光谱仪分别对地表和漫反射参考板进行测量,从而获得地表反射率。该方法存在时间匹配、参考板和人工操作等误差。随着卫星遥感器的数量和种类的日益增加,当前的辐射校正场定标方法己逐渐不能满足遥感器在轨辐射定标的实际需求。为发展场地反射率测量的新方法,提高场地反射率测量的效率,从而实现对卫星遥感器的高频次场地替代定标,本文研究了一种不同于人工测量反射率方法的直接辐射测量方法,通过同时获取地表反射辐亮度和天空总辐照度,采用直接法得到地表反射率。该方法依托于一套自动化观测系统。本文详细介绍了该观测系统的研制与测试,主要研究工作包括以下几个方面。介绍了辐射定标的意义和三种类型,并阐述了反射率基法定标的基本原理。介绍了反射率观测设备和测量方法目前在国内外的发展现状,并分析了未来的发展趋势。针对目前反射率观测设备和测量方法的不足,提出了直接法测量反射率的技术路线,阐述了该方法的基本原理。根据调研情况和新方法的原理对观测系统进行了需求分析,并进行了总体方案设计。研制了观测系统的主要自动化观测设备:光谱辐照度仪和光谱辐亮度仪,分别用于大气和地表辐射特性的观测,其光谱范围均为400 nm-1700 nm。介绍了光谱辐照度仪和光谱辐亮度仪的工作原理、总体设计、光机系统设计、电子学系统设计和上位机软件设计。其中光机系统设计作为仪器的主要设计内容进行了详细介绍。根据观测系统的特点分别制定了光谱定标和辐射定标方案。光谱定标结果表明VNIR光谱模块和SWIR光谱模块的光谱分辨率分别优于4 nm和15 nm。将观测系统作为一个整体进行了系统级辐射定标,辐射定标结果显示,观测系统的不确定度优于2.18%。该辐射定标方案消除了由标准灯带来的不确定度,提高了观测系统的辐射定标精度。为验证观测系统的功能完整性和测量数据准确性,对观测系统分别在合肥和敦煌开展了外场测试。设计了不同的实验,并对数据进行了分析。在合肥室外开展了观测系统与SVC光谱仪反射率测量比对实验。结果显示,采用实验室定标系数计算出的反射率与基于参考板的人工测量反射率的相对偏差普遍小于2.5%,最大不超过4%;采用自校准定标系数计算出的反射率与基于参考板的人工测量反射率的相对偏差普遍小于1.3%,最大不超过2%。在敦煌辐射校正场也开展了观测系统与SVC光谱仪反射率测量比对实验。结果显示,基于直接法的观测系统采用实时的自校准定标系数,计算得到的地表反射率相比较基于参考板的人工测量得到的反射率,其相对偏差普遍低于1%,最大不超过3%。合肥、敦煌两地的实验数据结果表明,观测系统具备与以往人工测量反射率方法相当的测量精度,具备有效的定标系数自校准功能。由于还具有在野外环境中长期自动测量的优势,因此观测系统在对卫星遥感器开展全自动、高频次的场地替代定标方面具有广阔的应用前景。