基于 PROSPECT模型的蔬菜叶片叶绿素含量和SPAD值反演

叶绿素含量是衡量植物营养和病虫害发生情况的重要指标。传统的分光光度法对植物叶片破坏性较大且无法实时、快速、无损地获取叶绿素含量。新兴的利用叶绿素仪测量叶绿素相对含量（以下简称SPAD值）的方法不能定量获取实际含量。光学辐射传输模型PROSPECT从生物物理、化学的角度以及能量传输的过程出发，定量描述了叶片色素、水分、结构参数等对叶片反射光谱的影响。因此，提出利用PROSPECT模型同时反演蔬菜叶片叶绿素含量和SPAD值，实时、快速、无损、定量获取植物叶片叶绿素的含量。第一，多次测量三种蔬菜叶片的反射光谱，并用叶绿素仪测量SPAD值。然后，预处理光谱数据，获得平均反射率光谱。第二，以欧式距离为评价函数，利用PROSPECT模型对实测反射率光谱进行拟合。拟合过程中三种蔬菜欧式距离最大为0.008 9，最小为0.006 4，平均为0.007 5，表明该模型能够很好地拟合蔬菜叶片的反射率光谱。第三，根据拟合结果，反演叶绿素含量和透射率光谱，再根据透射率光谱获取叶片在940和650 nm波长处的光透过率，计算叶片的反演SPAD值。第四，建立反演叶绿素含量、反演SPAD值与实测SPAD值的关系模型。结果表明: (1)利用该模型反演得到的叶绿素含量值与实测SPAD值有较好的线性关系, 其关系模型为：y=1.463 3x+16.374 3，两者相关系数为0.927 1，模型的决定系数为0.862，均方根误差为2.11；(2)利用该模型反演得到的SPAD值与实测SPAD值之间线性关系较好，其关系模型为：y=0.986 9x-0.668 3，两者相关系数为0.845 1, 模型的决定系数为0.714 3，均方根误差为3.380 2。研究表明，通过测量植物叶片的反射率光谱，利用PROSPECT模型可以无损、定量地获取蔬菜叶片的叶绿素含量和SPAD值。该方法可推广至其他植物的叶绿素测量和实时监测，为变量施肥、精准种植提供可靠的数据支持。研究结果对蔬菜生长态势的无损监测具有重要的意义。