全球資訊：如何對(duì)花粉進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)

7月8日是世界過(guò)敏性疾病日。隨著人們生活方式的改變、生態(tài)環(huán)境的變化等，患過(guò)敏性疾病的人越來(lái)越多，尤其是花粉過(guò)敏癥，成為許多人的煩心事。

一項(xiàng)監(jiān)測(cè)花粉20年以上的研究結(jié)果表明，北半球多數(shù)觀測(cè)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)了花粉季明顯延長(zhǎng)且季節(jié)性花粉濃度顯著增加。花粉季延長(zhǎng)是由于花粉季開(kāi)始時(shí)間提前、結(jié)束期延后共同造成的，該趨勢(shì)與最高、最低氣溫的累積變化顯著相關(guān)。這證實(shí)了氣候變暖和碳排放增多進(jìn)一步加劇了花粉對(duì)人的影響。

氣象因素對(duì)花粉傳播的影響頗為復(fù)雜

(資料圖片僅供參考)

防治花粉過(guò)敏癥，要對(duì)花粉進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)。但監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)的指標(biāo)和影響因素非常復(fù)雜，不僅涉及花粉濃度、花粉顆粒、花粉排放源距離，還與局地風(fēng)場(chǎng)、湍流通量、對(duì)流速度、臭氧總量、光周期等氣象因素有關(guān)。

這項(xiàng)由北京城市氣象研究院等單位聯(lián)合研究的成果表明，雷暴等特殊天氣可促使花粉顆粒高度聚集，并誘發(fā)大量人群過(guò)敏反應(yīng)。花粉顆粒和大氣污染物等環(huán)境因素具有協(xié)同作用，防治花粉過(guò)敏癥十分依賴于潔凈的空氣。

整體而言，氣候變暖帶來(lái)了更多的花粉，但氣象因素的具體作用卻并不一致：一是植物對(duì)環(huán)境的關(guān)聯(lián)存在差異。如木本植物比草本植物對(duì)氣溫的關(guān)聯(lián)更敏感，故氣候變暖導(dǎo)致春季花粉增量更多。二是氣象因素在植物生長(zhǎng)的不同階段會(huì)扮演不同甚至相反的角色。如授粉前一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了相對(duì)較多的降水，花粉產(chǎn)量便會(huì)增多，因?yàn)榻邓梢跃徑庵参锟赡苡龅降母珊得{迫。但授粉期內(nèi)若出現(xiàn)較多的降水，其濕沉降作用便會(huì)影響花粉擴(kuò)散，從而降低空氣中的花粉濃度；又如一些木本植物，既需要冬季氣溫足夠低以完成休眠，又需要春季氣溫相對(duì)高作為結(jié)束休眠的觸發(fā)機(jī)制。

花粉自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)分類(lèi)準(zhǔn)確率達(dá)90%

目前，監(jiān)測(cè)花粉在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用的是自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備。除了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新、統(tǒng)計(jì)花粉數(shù)量外，花粉自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備還可種類(lèi)識(shí)別，分類(lèi)準(zhǔn)確率達(dá)90%。

依托自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備，建立全自動(dòng)花粉監(jiān)測(cè)網(wǎng)。自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備獨(dú)有的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳功能對(duì)接移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，滿足了用戶通過(guò)手機(jī)APP實(shí)時(shí)查詢花粉信息的需求。

除自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備外，還有其他方法識(shí)別花粉種類(lèi)：可以利用花粉提取物的核磁共振波譜進(jìn)行分類(lèi)和計(jì)數(shù)，識(shí)別準(zhǔn)確率在90%左右；花粉表面上的凸出裂片使之具有特殊的去極化特征，可通過(guò)配備去極化光譜的激光雷達(dá)進(jìn)行識(shí)別，但是該方法目前可準(zhǔn)確識(shí)別的花粉種類(lèi)仍然較少。

此外，花粉采樣新技術(shù)也不斷創(chuàng)新。基于花粉顆粒濃度連續(xù)性方程和碰撞理論的采樣效率模型，利用環(huán)己烷研制花粉采集膠帶新型黏合劑，開(kāi)發(fā)便攜式花粉采樣器。

花粉日歷可實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)個(gè)性化定制

目前常見(jiàn)的花粉預(yù)測(cè)方法有花粉日歷，是以可視化的圖形展示某一地區(qū)全年不同時(shí)段內(nèi)（通常以旬為單位）各類(lèi)致敏性花粉濃度的情況。

國(guó)外科學(xué)家從20世紀(jì)70年代便構(gòu)建了花粉日歷，并進(jìn)行了持續(xù)更新。通過(guò)花粉日歷，醫(yī)生及患者可清晰直觀了解各類(lèi)花粉的花粉季起止時(shí)間、峰值濃度等關(guān)鍵信息，具有一定的臨床應(yīng)用價(jià)值。

利用花粉過(guò)敏癥日歷系統(tǒng)、手機(jī)應(yīng)用等平臺(tái)免費(fèi)向公眾提供花粉監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)信息及個(gè)性化的定制服務(wù)，從而收集到較為廣泛可靠的研究病例基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

此外，花粉過(guò)敏指數(shù)可為患者提供更直觀的參考。由于花粉蛋白的致敏活性存在差異，不同種類(lèi)花粉的影響濃度閾值有所不同，將濃度閾值、花粉季長(zhǎng)度、植被水平投影面積等因素相結(jié)合，給出花粉過(guò)敏指數(shù)，為過(guò)敏人群提供服務(wù)。

基于機(jī)器學(xué)習(xí)的預(yù)測(cè)還在探索中

目前，統(tǒng)計(jì)模型被廣泛應(yīng)用于花粉關(guān)鍵指標(biāo)的預(yù)測(cè)，在建模前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、人工篩選等預(yù)處理，可提升整體準(zhǔn)確率。

在大數(shù)據(jù)時(shí)代，機(jī)器學(xué)習(xí)的預(yù)測(cè)不斷被開(kāi)發(fā)。與統(tǒng)計(jì)模型類(lèi)似，機(jī)器學(xué)習(xí)算法同樣將自變量與因變量之間的關(guān)系視作“黑匣子”，但通常具有更高準(zhǔn)確率。因此，通過(guò)調(diào)整核函數(shù)、按比例篩選訓(xùn)練樣本、評(píng)估自變量貢獻(xiàn)度等方法對(duì)模型或樣本進(jìn)行優(yōu)化。算法、樣本經(jīng)優(yōu)化后不僅能縮短計(jì)算時(shí)間，還能提升預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。

在篩選訓(xùn)練樣本的過(guò)程中，除生長(zhǎng)度日、花粉累積量、累積生長(zhǎng)天數(shù)等表征植物生理狀態(tài)的指標(biāo)具有較高權(quán)重外，地表反照率、土壤溫度、臭氧總量等一些統(tǒng)計(jì)模型中難以考慮到的要素也被證明具有較高影響，甚至常規(guī)氣象資料也可被雷達(dá)數(shù)據(jù)所替代。而且植物在不同生長(zhǎng)階段對(duì)外界環(huán)境的關(guān)聯(lián)程度也不同，比如濕度累積有可能比降水累積的影響更顯著，因?yàn)榍罢叽龠M(jìn)了植物的發(fā)育。

但是，機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)花粉關(guān)鍵要素的預(yù)測(cè)仍存在一定的不足，最大的難點(diǎn)在于對(duì)極值的預(yù)測(cè), 其根本原因在于極值樣本較少，削弱了模型的訓(xùn)練效果，凸顯了大范圍、長(zhǎng)時(shí)間花粉監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的重要性。

（作者系北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院比較醫(yī)學(xué)中心副研究員）

標(biāo)簽： 自動(dòng)監(jiān)測(cè) 機(jī)器學(xué)習(xí) 花粉過(guò)敏癥