基于 PROSPECT模型的蔬菜叶片叶绿素含量和SPAD值反演

摘要：

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PROS-PECT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 3 x+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 9 x－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.

关键词：高光谱、蔬菜叶片、叶绿素含量、SPAD值、反演

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分类号：O657.3(分析化学)

资助基金：广东省重点领域研发计划项目2019B020219002 ,2019B020214005 ,广东省 2019 年省级乡村战略振兴专项粤财农2019 73号 ,国家自然科学基金项目11774099

在线出版日期：2019-10-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共5页

页码：3256-3260