当花粉监测遇上高光谱

当春天来临时, 随之而来的是美丽的花朵和漂亮的颜色, 但同时也伴隨着一些不适和过敏的症状。这些不适和过敏的症状可能是由花粉引起的, 花粉是由植物的雄性生殖细胞组成的微小颗粒, 可被风、昆虫或其他动物传播到其他植物上进行授粉。花粉存在于空气中, 可能会进入我们的呼吸道,对我们的身体健康产生一定的影响。

花粉浓度监测指标和影响因素较为复杂,不仅涉及花粉浓度、花粉颗粒大小、花粉排放源距离远近，还与局地风速、风向、日照时长、降水性质和量级、大气稳定度 等气象因素有关。

传统的花粉监测主要以 人工监测 和 仪器自动监测 两种方式为主。气象局大多采用仪器监测。

在大多数实践中，花粉测量是使用物理采样器（例如旋转杆装置或 Hirst 型容积孢子捕集器）进行的。这些装置捕获空气中的花粉，然后在显微镜下进行分析，以计数单个花粉粒。虽然该过程几十年来一直是标准做法，但其对人的依赖性造成了限制，影响了其准确性和地理覆盖范围。

花粉种类覆盖范围有限： 由于传统方法的应用范围差异很大，传统方法测量的花粉水平数据存在明显缺陷。在许多情况下，监测站只关注少数花粉种类，导致数据存在缺口。

 地理分布问题： 传统花粉监测站集中在特定区域，以城市地区为主，农村或郊区则没有监测。分布不广导致地理覆盖率差。

手动计数： 在显微镜下手动计数，这一繁琐的过程容易出现人为错误。此外，它严重依赖熟练人员的可用性，影响时间表，从而影响数据的可靠性或有效性。

采样变异性：花粉采集器的放置位置会显著影响读数。即使移动采集器几米或改变其方向，也可能改变结果。不同的站点使用不同尺寸的杆或板，影响捕获的花粉粒数量。这些变量会导致不同地区收集的数据不一致。

环境和技术因素： 外部因素（例如雨、风或机器故障）可能会干扰数据收集。此外，机器故障的不可预测性或数据收集中的人工延迟可能会导致数据丢失或不准确。

时间分辨率不一致： 传统的花粉计数通常每天或每周进行，几乎不提供实时信息。在许多情况下，监测站不报告确切的计数，而是发布“低”、“中”或“高”等一般类别的花粉水平，这些类别对于严重过敏的人来说可能不够详细。

站点特定范围： 花粉计数范围有时是站点特定的，并且可能与国家或国际标准不同，因此很难比较不同地区的花粉水平。

点状数据有限： 每个花粉监测站覆盖一个特定的小地理点。然而，花粉可以传播很远的距离，这意味着点状测量无法考虑影响花粉扩散的更广泛的环境因素。

 图1 榆林市花粉监测（来源于榆林市气象局）

高光谱能够捕捉地表反射光在多个连续窄波段的光谱数据，且其覆盖覆盖范围广、波谱信息丰富，可以通过识别花粉颗粒或与花粉相关的植被信号来监测花粉。 

 图2 不同树木花粉的光谱曲线

不同植物在开花期会释放不同类型的花粉，而这些 植物的光谱反射特征（如叶绿素、类胡萝卜素和水分含量）可以通过高光谱数据分析获得 。卫星可以检测植被的光谱信号，结合地面观测数据（如花粉采样）， 建立花粉类型与光谱特 征之间的关系 。

此外还可以结合 地面传感器 、 遥感卫星图像 和 全球专有传感器网络 的功能从多个来源获取可靠数据。通过 模型测量 、 处理和分 析 来自不同来源的海量数据，达到模型监测的准确性。

 图3 结合卫星图像的树木花粉监测（西安地区）