地理信息系統(tǒng)在蟲(chóng)媒病與寄生蟲(chóng)病研究中的應(yīng)用*

王丹丹 李新樓 黎銀軍 方立群**

(1. 中南大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，長(zhǎng)沙 410008；2. 軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院微生物流行病研究所，病原微生物生物安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100071)

流行病學(xué)研究的重要內(nèi)容是闡明疾病的三間分布，通過(guò)分析疾病的空間分布特征，研究疾病與周?chē)h(huán)境的關(guān)系，為疾病的防治決策提供依據(jù)。近二、三十年來(lái)，地理信息系統(tǒng)以及相關(guān)信息技術(shù)的快速發(fā)展為研究疾病的空間分布提供了便利。由于寄生蟲(chóng)與醫(yī)學(xué)昆蟲(chóng)往往分布于特定的生態(tài)環(huán)境中，導(dǎo)致蟲(chóng)媒傳染病、寄生蟲(chóng)病的分布也具有顯著的區(qū)域性，生態(tài)環(huán)境的變化通過(guò)影響媒介昆蟲(chóng)、寄生蟲(chóng)的分布進(jìn)而改變相關(guān)傳染病的傳播風(fēng)險(xiǎn)。因此，在蟲(chóng)媒病與寄生蟲(chóng)病研究中應(yīng)用地理信息系統(tǒng)技術(shù)對(duì)于理解疾病的區(qū)域分布特征、影響因素以及傳播風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)具有重要意義。在蟲(chóng)媒病與寄生蟲(chóng)病的預(yù)防與控制過(guò)程中，大規(guī)模的人群調(diào)查、寄生蟲(chóng)和醫(yī)學(xué)昆蟲(chóng)調(diào)查不僅涉及大量的位置信息，而且調(diào)查數(shù)據(jù)往往具有時(shí)間、空間、人群等多維特征，應(yīng)用常規(guī)的數(shù)據(jù)處理方法較難滿(mǎn)足對(duì)時(shí)空動(dòng)態(tài)調(diào)查數(shù)據(jù)的處理、分析與展示需求，GIS及相關(guān)技術(shù)為這些數(shù)據(jù)的管理與分析提供便利。近年來(lái)，地理信息系統(tǒng)及其相關(guān)分析方法在流行病學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)展迅速，也為蟲(chóng)媒傳染病與寄生蟲(chóng)病的研究提供了新的視角與機(jī)遇。本文對(duì)地理信息系統(tǒng)在蟲(chóng)媒傳染病與寄生蟲(chóng)病研究中的應(yīng)用情況作一介紹。

1 地理信息系統(tǒng)簡(jiǎn)介及功能

地理信息系統(tǒng)(Geographic information systems， GIS)是以地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)軟硬件的支持下，對(duì)空間相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、管理、操作、分析、模擬和顯示，并采用地理模型分析方法，適時(shí)提供多種空間和動(dòng)態(tài)的地理信息技術(shù)系統(tǒng)，也可簡(jiǎn)單地理解為用于采集、存儲(chǔ)、處理、分析和顯示地理空間數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(Briggsetal.，1995；Clarkeetal.，1996)。

目前，與流行病學(xué)研究相關(guān)的GIS功能主要包括以下幾個(gè)方面：A 數(shù)據(jù)管理：通過(guò)現(xiàn)成的數(shù)據(jù)、人工編碼、數(shù)字化和掃描等方式采集疾病數(shù)據(jù)；核對(duì)和編輯數(shù)據(jù)；通過(guò)經(jīng)緯度定位等方法將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一致的地理信息結(jié)構(gòu)；建立數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以便查詢(xún)和分析。B 空間與統(tǒng)計(jì)分析：探查疾病的空間分布特征及動(dòng)態(tài)趨勢(shì)、分析疾病的聚集性和分布熱點(diǎn)、疾病的空間擴(kuò)散趨勢(shì)分析、疾病與環(huán)境因素的空間相關(guān)性分析等。C 結(jié)果展示：將結(jié)果以多種形式輸出，如表格、地圖等，特別是數(shù)據(jù)可以以地圖為背景，在相應(yīng)位置或區(qū)域用多種方式展示，如散點(diǎn)、密度、條圖等，使結(jié)果生動(dòng)、直觀(guān)；同時(shí)地圖還可以疊加地理景觀(guān)等數(shù)據(jù)圖層，有利于為疾病環(huán)境危險(xiǎn)因素的研究提供線(xiàn)索(Deloneetal.，1992；邊馥玲，1996)。D 監(jiān)測(cè)預(yù)警和決策支持：根據(jù)長(zhǎng)期、系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)資料，運(yùn)用GIS的時(shí)空分析方法對(duì)疫情指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，建立傳播風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)預(yù)警模型，對(duì)可能的疫情進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)和預(yù)警；并且可以調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中疫情資料、特定流行區(qū)域的環(huán)境資料、歷史防控資料等，為疫情的應(yīng)對(duì)提供決策支持。

2 地理信息系統(tǒng)在蟲(chóng)媒病與寄生蟲(chóng)病研究中的應(yīng)用

寄生蟲(chóng)病、蟲(chóng)媒傳染病的影響因素較為復(fù)雜，不僅與氣象、水文、植被等自然環(huán)境因素相關(guān)，而且其中間宿主、保蟲(chóng)宿主、媒介動(dòng)物等生物因素更與地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、醫(yī)療衛(wèi)生條件、疾病防控投入與執(zhí)行等社會(huì)人文因素密切相關(guān)。GIS的數(shù)據(jù)處理與分析功能為探討寄生蟲(chóng)病、蟲(chóng)媒傳染病的時(shí)空分布特征和流行規(guī)律提供了便利，自上世紀(jì)八、九十年代開(kāi)始，GIS在瘧疾、血吸蟲(chóng)病、絲蟲(chóng)病、登革熱等蟲(chóng)媒傳染病及寄生蟲(chóng)病開(kāi)展了一系列有代表性的研究，促進(jìn)了對(duì)蟲(chóng)媒傳染病、寄生蟲(chóng)病傳播流行規(guī)律的認(rèn)識(shí)。本文以對(duì)人類(lèi)健康危害嚴(yán)重的瘧疾、血吸蟲(chóng)病等蟲(chóng)媒傳染病與寄生蟲(chóng)病為例介紹GIS在寄生蟲(chóng)與醫(yī)學(xué)昆蟲(chóng)學(xué)中的應(yīng)用。

按蚊存在是瘧疾流行的必要條件，GIS 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)媒介按蚊的分布和孳生繁殖情況的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，描述分析瘧疾的時(shí)空分布特征；并結(jié)合自然地理、生態(tài)環(huán)境、氣象條件、人口狀況和土地利用等因素，建立瘧疾傳播風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)瘧疾的流行態(tài)勢(shì)和強(qiáng)度；分析瘧疾危險(xiǎn)暴露因子和關(guān)鍵時(shí)期，進(jìn)而科學(xué)指導(dǎo)瘧疾的防控工作。周水森等(2007)利用克里金模型對(duì)安徽、河南及湖北省沿黃淮流域地區(qū)156個(gè)縣市2005年的瘧疾發(fā)病率進(jìn)行空間插值分析，發(fā)現(xiàn)安徽省中北部與河南交界地區(qū)、河南省與湖北省交界地區(qū)是兩個(gè)明顯的聚集中心。王麗萍等(2008)收集了1990～2006年安徽瘧疾疫情資料并對(duì)病例進(jìn)行空間掃描聚類(lèi)分析，發(fā)現(xiàn)了安徽省瘧疾疫情向北部移動(dòng)的趨勢(shì)。李亞楠等(2013)收集整理了2006～2010年間中國(guó)各省(市、區(qū))瘧疾疫情數(shù)據(jù)，分層對(duì)5年的中國(guó)瘧疾時(shí)空流行趨勢(shì)進(jìn)行描述性分析，指出中國(guó)瘧疾發(fā)病率大幅降低的特點(diǎn)；空間分布以安徽、云南和海南以及江淮流域?yàn)橹饕?；人群分布以男性、農(nóng)民和老人為主要易感人群；時(shí)間分布以每年的夏秋季節(jié)為瘧疾的流行高峰期。在環(huán)境影響因素分析和危險(xiǎn)因素探查方面，高宏偉等(Gaoetal.，2012)收集整理了安徽省1990～2009年間瘧疾病例監(jiān)測(cè)資料，按照月份統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)2000年以后安徽瘧疾發(fā)病呈現(xiàn)出以淮河和長(zhǎng)江為分界的淮北、江淮、淮南3個(gè)地區(qū)的瘧疾發(fā)病率依次遞減態(tài)勢(shì)；與氣象因素的關(guān)聯(lián)模型模擬，發(fā)現(xiàn)發(fā)病月份前一個(gè)月和前兩個(gè)月的月均降雨量為安徽省北部地區(qū)瘧疾流行的危險(xiǎn)因素。國(guó)外研究，由于非洲地區(qū)瘧疾流行形勢(shì)嚴(yán)峻，有關(guān)影響非洲國(guó)家和地區(qū)瘧疾的環(huán)境因素研究較多。Drissa Coulibaly 根據(jù)馬里Bandiagara地區(qū)2009年7月到2010年5月的296例臨床確診瘧疾病例，利用GIS精確定位后，建立了瘧疾發(fā)病與日降雨量、地理景觀(guān)特征因素的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)瘧疾發(fā)病的兩個(gè)聚集區(qū)都接近當(dāng)?shù)匾粭l河流，為當(dāng)?shù)丶辛α坎扇》揽卮胧┨峁┝丝茖W(xué)依據(jù)(Coulibalyetal.，2013)。在瘧疾監(jiān)測(cè)預(yù)警研究方面，Hanafi-Bojd等基于GIS根據(jù)伊朗南部Bashagard市1999～2009年間16 199份瘧疾病例資料，利用GIS系統(tǒng)納入了氣溫、相對(duì)濕度、海拔、坡度及距離河面的距離等環(huán)境因素，加權(quán)法分析了瘧疾傳播風(fēng)險(xiǎn)；并以此為基礎(chǔ)，重疊加權(quán)再次納入土地利用類(lèi)型、人口密度、干預(yù)措施等建立了瘧疾風(fēng)險(xiǎn)地圖；為當(dāng)?shù)丿懠驳谋O(jiān)測(cè)預(yù)警和干預(yù)措施提供了科學(xué)依據(jù)(Hanafi-Boidetal.，2012)。由此可見(jiàn)，在瘧疾研究中，GIS既可以確定按蚊的生境并監(jiān)測(cè)其種群變化，又可借助合適的空間分布方法將蚊媒、人群的分布、地形地貌、植被類(lèi)型、土壤條件、氣象資料、防控手段進(jìn)行綜合分析，達(dá)到解釋、預(yù)測(cè)瘧疾分布，預(yù)測(cè)瘧疾的傳播風(fēng)險(xiǎn)，指導(dǎo)防疫工作的目的。GIS平臺(tái)在瘧疾防控工作中越來(lái)越得到青睞。當(dāng)前，GIS在瘧疾方面的應(yīng)用，更體現(xiàn)在先進(jìn)的軟件、硬件工具的普及上，例如：個(gè)人數(shù)據(jù)收集器，也就是手持機(jī)(Personal Digital Assistants， PDA)。PDA以其便攜性和可以實(shí)時(shí)傳輸現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的功能優(yōu)勢(shì)，在流行病防控中也得以廣泛使用。Kelly等(2010)將PDA應(yīng)用在澳大利亞的3個(gè)地區(qū)的瘧疾現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查工作中，收集現(xiàn)場(chǎng)地理環(huán)境資料、房屋數(shù)量和結(jié)構(gòu)、蚊帳使用狀況、戶(hù)內(nèi)滯留噴灑狀況及瘧疾病例監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)傳輸至GIS基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，工作人員在實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)庫(kù)端分析瘧疾空間分布狀況并繪制風(fēng)險(xiǎn)地圖，實(shí)現(xiàn)同步調(diào)查、同步指導(dǎo)干預(yù)的聯(lián)動(dòng)。

在血吸蟲(chóng)防治領(lǐng)域，我國(guó)于上世紀(jì)90 年代初即開(kāi)始了GIS應(yīng)用于血吸蟲(chóng)病流行情況與趨勢(shì)研究(周曉農(nóng)，2000；楊國(guó)靜和周曉農(nóng)，2001)；此后，楊國(guó)靜等(2002)應(yīng)用GIS 空間數(shù)據(jù)分析和地圖重疊分析，發(fā)現(xiàn)血吸蟲(chóng)病的流行的地理區(qū)域與溫度、雨量等因素密切相關(guān)，并利用氣象資料模型和衛(wèi)星遙感資料預(yù)測(cè)了血吸蟲(chóng)病的潛在流行區(qū)。楊坤等(2005)建立了基于網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)技術(shù)(WebGIS)的江蘇血吸蟲(chóng)病網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了江蘇省血吸蟲(chóng)病數(shù)據(jù)資料的統(tǒng)一管理控制，具備了查詢(xún)、展示、統(tǒng)計(jì)、分析以及圖形輸出等功能。在以上基礎(chǔ)上，基于谷歌地球(Google Earth)空間數(shù)據(jù)的血吸蟲(chóng)病風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估快速通道工作框架的構(gòu)建和完善使得江蘇省血吸蟲(chóng)病數(shù)據(jù)資料共享程度更高，平臺(tái)更加開(kāi)放(Yangetal.，2012)。網(wǎng)絡(luò)GIS數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，對(duì)于推動(dòng)全國(guó)性血吸蟲(chóng)病監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的完善和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)疫情數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新以及監(jiān)測(cè)預(yù)警和人工干預(yù)的聯(lián)動(dòng)提供了新的思路。

在其他蚊媒疾病防治中，地理信息系統(tǒng)的方法也發(fā)揮了重要的作用。在登革熱的防控中，Su等(1994)通過(guò)建立地理信息系統(tǒng)平臺(tái)的方法，對(duì)登革熱的傳播媒介的種類(lèi)，活動(dòng)情況進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)。Thai等(2009)在越南南部，通過(guò)地理信息系統(tǒng)的方法研究了登革傳播的空間差異性，認(rèn)為在家庭個(gè)體的尺度上，無(wú)癥狀的兒童的聚集是導(dǎo)致登革傳播的原因，從而為重點(diǎn)防控提供依據(jù)。在絲蟲(chóng)病的防治中，Michael等(1997)通過(guò)地理信息系統(tǒng)的方法，構(gòu)建了綜合的絲蟲(chóng)病數(shù)據(jù)庫(kù)，從而結(jié)合疾病負(fù)擔(dān)模型(GBD，Global Burden of Disease)建立了絲蟲(chóng)病的感染地圖，為防治絲蟲(chóng)病提供了重要的依據(jù)。在黃熱病防治中，Jentes等(2011)利用地理信息系統(tǒng)的方法，綜合了疫苗使用情況，構(gòu)建了黃熱病的風(fēng)險(xiǎn)地圖，為國(guó)際旅游者進(jìn)入疫區(qū)提供了旅行建議。

近兩年，蜱媒疾病危害嚴(yán)重，森林腦炎、新疆出血熱病毒、新布尼亞病毒、立克次體、伯氏疏螺旋體；巴貝西原蟲(chóng)等疾病的報(bào)道不少。趙俊偉等(2012)運(yùn)用GIS，通過(guò)對(duì)我國(guó)蜱傳病原體的地理分布進(jìn)行系統(tǒng)梳理，了解這些疾病空間分布情況，從而為蜱媒病的預(yù)防控制提供基礎(chǔ)資料。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家利用GIS對(duì)萊姆病危險(xiǎn)因素及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)的研究有不少報(bào)道，James等(2013)對(duì)蘇格蘭萊姆病的空間分布情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)萊姆病的發(fā)生與鹿群的密度高度相關(guān)，而與降雨、海拔、地表植被相關(guān)較弱。另外，GIS在森林腦炎(Stefanoffetal.，2008)、斑疹立克次體(Vescioetal.，2008)等蜱媒病中的應(yīng)用實(shí)例不少。其他蟲(chóng)媒病如利什曼原蟲(chóng)病(Gonzlezetal.，2010)、鉤端螺旋體病(Raghavanetal.，2012)、登革熱(Tsuzukietal.，2011)、黃熱病(Becketal.，2013)等研究中，GIS已成為分析其與自然環(huán)境因素關(guān)系的有效工具。

在傳染病中，環(huán)境因素、病原體、宿主和傳播媒介等具有顯著的空間相關(guān)性(方立群和曹務(wù)春，2004)。GIS強(qiáng)大的空間分析、統(tǒng)計(jì)建模和可視化功能使之成為寄生蟲(chóng)病和蟲(chóng)媒病研究中的新手段。然而，作為一種研究手段，GIS技術(shù)應(yīng)用時(shí)同樣需要注意對(duì)于空間數(shù)據(jù)的選擇標(biāo)準(zhǔn)和尺度問(wèn)題: 既要滿(mǎn)足當(dāng)前的應(yīng)用，又要合理的安排資源。除此以外，數(shù)據(jù)共享問(wèn)題也是制約GIS在寄生蟲(chóng)病與蟲(chóng)媒病研究應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)因素，一些基礎(chǔ)地理環(huán)境數(shù)據(jù)和專(zhuān)題地理環(huán)境數(shù)據(jù)難以共享，或者是精度不夠。隨著高分辨率資源環(huán)境衛(wèi)星和北斗衛(wèi)星等系統(tǒng)投入運(yùn)營(yíng)，必定能獲得更高清晰的圖像和更便捷的地理定位服務(wù)，相信將大大促進(jìn)GIS在寄生蟲(chóng)病和蟲(chóng)媒病領(lǐng)域應(yīng)用。