Коренной Ф.И., Гуленкин В.М., ФГУ «Федеральный центр охраны здоровья животных» (ФГУ «ВНИИЗЖ»), г.Владимир, e-mail: korennoy@arriah.ru, gulenkin@arriah.ru, web: www.arriah.ru
Application of a Geoinformation System ArcGIS in the Veterinary Epidemiological Analyis
Basic aspects of ArcGIS software application are set forth for the work on the analysis of the veterinary epidemiological situation, which is being carried out in the Information and Analysis Centre of the Veterinary Surveillance Authority (the city of Vladimir). Here is given a brief outline of basic GIS methods, which are used in the field of veterinary medicine around the world. The article represents data on international non-governmental associations, which provide the cooperation of specialists in the field of geospatial epidemiology.
В статье изложены основные аспекты применения инструментария ArcGIS для работ по анализу эпизоотологической информации, проводимых в информационно-аналитическом центре Управления Ветнадзора (г.Владимир). Дается краткий обзор основных методов технологии геоинформационных систем (ГИС), используемых в области ветеринарной медицины за рубежом. Приведены сведения о международных неправительственных ассоциациях, обеспечивающих сотрудничество специалистов в области геопространственной эпидемиологии.
Введение
Бурное развитие вычислительной техники в последние десятилетия предопределило появление мощных программных комплексов – географических информационных систем (ГИС) – обеспечивающих хранение, моделирование, анализ и визуализацию больших массивов данных, имеющих географическую привязку. Применение ГИС в области ветеринарной медицины для эпизоотологического анализа позволило вывести ветеринарную географию на новый уровень, предоставив возможности:
- централизованного сбора и хранения информации о пространственном распределении регистрируемых вспышек заболеваний животных;
- автоматизированного анализа этих данных с целью выявления закономерностей, обусловленных сходством природных и социально-экономических факторов на различных территориях;
- создания электронных и бумажных карт для отображения эпизоотической ситуации как в отдельно взятых регионах, так и в мире в целом;
- создания карт риска, отображающих вероятность заноса/возникновения определенного заболевания.
Начало широкого применения ГИС для нужд эпизоотологического анализа датируется второй половиной 90-х годов прошлого века и связано с именами таких ученых как P.Durr (Австралия), A.Gatrell (Великобритания), M.Ward (Австралия), A.Lawson (США). Одной из основополагающих работ в этом направлении можно считать книгу “GIS and Spatial Analysis in Veterinary Science”, вышедшую под редакцией P.Durr и A.Gatrell в 2004 г. [1]. Хороший обзор технологий применения ГИС в области эпидемиологии и работ в этом направлении дан также в статье [2].
ГИС в ветеринарной медицине Российской Федерации
Кратко опишем наш опыт исследований и разработок в этой области. В 2007 г. на базе ФГУ «Федеральный центр охраны животных» (ФГУ «ВНИИЗЖ») в г.Владимир был создан Информационно-аналитический центр (ИАЦ) Управления Ветнадзора. Основные направления деятельности ИАЦ: сбор и анализ данных по заболеваниям животных в России и за рубежом; картографический анализ данных с целью выявления пространственно-временных закономерностей и прогнозирования дальнейшего распространения заболеваний; анализ риска заноса заболеваний животных на территорию России при торговле живыми животными и продукцией животноводства. Для выполнения задач, связанных с картографическим анализом, для ИАЦ было закуплено программное обеспечение ArcGIS (в настоящее время – это лицензии ArcView версии 10, включая модули Spatial Analyst, 3D Analyst, Geostatistical Analyst, Data Interoperability). Специалисты ИАЦ проходили обучение и сертификацию на курсах Esri как в Москве (на базе МГУ), так и в США. Помимо этого, сотрудники ИАЦ регулярно посещают международные конференции и курсы по применению ГИС для нужд медицины и ветеринарии.
Ниже перечислены основные аспекты применения ГИС в информационно-аналитическом центре.
1. Создание и поддержка баз данных по заболеваниям животных на территории Российской Федерации и за рубежом. Основными заболеваниями, с которыми работает ИАЦ в настоящее время, являются ящур, африканская чума свиней, классическая чума свиней, высокопатогенный грипп птиц, бешенство, сибирская язва, бруцеллез, лептоспироз и некоторые другие заболевания. Для создания в среде ArcGIS базы геоданных по какому-либо заболеванию широко используются GPS-технологии и программа Google Earth Pro. Как правило, база данных представляет собой шейп-файл точечного типа, представляющий локализацию зарегистрированных вспышек заболевания. Атрибутами для каждой вспышки являются такие ее характеристики, как дата начала заболевания, наименование населенного пункта (либо другого географического пункта), где зарегистрировано заболевание, количество заболевших животных, общее количество животных в очаге, серотип вируса, источник информации и т.д. Кроме того, сотрудниками ИАЦ созданы базы данных по популяции сельскохозяйственных и диких животных, расположению крупных животноводческих предприятий, пограничных пунктов ветеринарного контроля на основании информации, предоставляемой Государственным комитетом по статистике РФ и другими официальными источниками.
Большая работа была проведена сотрудниками ИАЦ и по пилотному проекту «Создание базы данных эпидемически значимых объектов Владимирской области». С использованием средств GPS-навигации была составлена база геоданных по объектам, нарушение и ухудшение эпидемиологической обстановки на которых может привести к возникновению и распространению болезней со значительными эпидемиологическими, экологическими, экономическими и социальными последствиями. К таким объектам относятся: сельскохозяйственные – производства сельхозпродукции, перерабатывающие предприятия, мясо/молоко/рыбозаводы, убойные пункты; ветеринарные – клиники, аптеки, лаборатории, скотомогильники; коммунальные – свалки, утильзаводы, выставки; прочие – транспортные узлы, охотхозяйства, питомники, рыбохозяйства. Созданы тематические слои со специальной символикой, отображающие информацию по каждому типу объектов (рис. 1). На основании собранной информации опубликован ветеринарный атлас «Эпидемически значимые объекты Владимирской области», который доступен на официальном сайте Россельхознадзора [3].
Рис. 1. Пример отображения тематических слоев эпидемически значимых объектов по Владимирской области.
2. Имеющиеся базы данных позволяют создавать электронные и бумажные документы картдля визуализации текущей ситуации по заболеваемости с целью предоставления отчетов в Россельхознадзор. Отчеты публикуются на интернет-сайте Россельхознадзора в разделе «Эпидситуация» [4]. Кроме того, на основе информации ИАЦ регулярно посылаются уведомления во Всемирную организацию здравоохранения животных (OIE). Данная организация, как и большинство официальных научных учреждений по всему миру, также официально использует программное обеспечение ArcGIS компании Esri для визуализации и анализа эпизоотической информации.
Для составления документов карт, помимо собственных баз данных, нами используются тематические слои, представляющие административное деление России и зарубежных стран, внутренние водоемы, дорожную сеть, населенные пункты, рельеф, растительность, популяцию животных и т.д. Многие из таких слоев созданы с помощью закупленных в ООО «ДАТА+» баз данных «Цифровая карта мира DCW» и «Карта России в масштабе 1:1 000 000». Другие необходимые слои доступны для загрузки на специализированных интернет-сайтах (например [5], [6], [7]). Помимо традиционных методик картирования с помощью цветовой шкалы, плотности точек, диаграмм и др. используется также методика искажения площади и формы объектов в соответствии с отображаемой атрибутивной величиной (картограммы). Примеры созданных карт показаны на рис. 2.
 |
 |
 |
 |
Рис. 2. Примеры карт, созданных в Информационно-аналитическом центре Управления Ветнадзора, г.Владимир.
3. С целью прогнозирования возможного распространения заболеваний в ИАЦ проводится работа по геопространственному анализу данных по текущей заболеваемости. При ее выполнении широко применяются инструменты ArcGIS для пространственного (географического) анализа. Например, применение инструмента “Standard Deviational Ellipse” к данным о вспышках африканской чумы свиней (АЧС) на территории России за 2007-2010 гг. позволило сделать вывод о различных факторах, обусловливающих распространение заболевания среди диких кабанов и среди домашних свиней (рис. 3). Так, вспышки заболевания у диких кабанов имеют тенденцию группировки вдоль лесных массивов у подножья Кавказского хребта. Направление же распространения заболевания среди домашних свиней совпадает с направленностью основных транспортных магистралей в регионе, что дает право предположить антропогенную природу переноса возбудителя (при транспортировке животных, мясопродуктов и кормов). Еще один из широко использующихся инструментов ArcGIS – функция вычисления пространственной автокорреляции (статистика Морана). С ее помощью, например, были наглядно выявлены пространственно-временные кластеры заболевания (рис. 4)
Рис. 3. Пример применения инструмента «Standard Deviational Ellipse» для анализа пространственно-временной тенденции распространения африканской чумы свиней (АЧС) по видам животных.
Рис. 4. Пример применения инструмента «Cluster and Outlier Analysis (Anselin Moran’s I)» для выявления пространственно-временных кластеров АЧС среди домашних свиней.
Одной из часто применяемых нами функций является вычисление пространственной плотности объектов (“Kernel Density”). Данный инструмент используется как для визуализации пространственного распределения каких-либо объектов интереса (например, плотность распределения птицефабрик на территории России, см. рис. 5), так и при выполнении более сложных работ, связанных с анализом географических и социо-экономических факторов, ассоциированных с распределением случаев заболевания. Вычисление пространственной плотности широко использовалось, например, при выявлении факторов риска распространения африканской чумы свиней. В этой работе был сделан вывод о преимущественном влиянии густоты дорожной сети, плотности домашнего свинопоголовья, а также плотности водных объектов на вероятность возникновения новых случаев АЧС. Были определены коэффициенты регрессии, что позволило составить карту риска распространения заболевания для всей территории России (рис. 6). Дальнейший ход эпизоотии показывает хорошее согласие полученных данных с локализацией вновь возникающих вспышек.
Рис. 5. Пример использования инструмента “Kernel Density” для визуализации плотности распределения птицефабрик на территории страны.
Рис. 6. Карта риска распространения африканской чумы свиней, составленная с использованием инструмента “Kernel Density”.
При выполнении работ по анализу и моделированию пространственно-временного распространения инфекций в дополнение к ArcGIS нами часто применяется и другое программное обеспечение. Например, в описанной выше работе по составлению карты риска распространения АЧС использовалась программная среда «R» [8] для обсчета регрессионной модели. Следует также упомянуть «Североамериканскую модель распространения заболеваний животных» (NAADSM, [9]), которая позволяет моделировать процесс развития эпизоотической ситуации на определенной территории при возникновении первоначального очага инфекции. Для создания сценариев в данной модели необходимо наличие базы данных расположения животных/стад/населенных пунктов на исследуемой территории. Подобная база данных может быть создана с использованием ArcGIS путем экспорта тематического слоя в формат *.csv. В информационно-аналитическом центре с использованием NAADSM проводилась работа по моделированию ситуации при заносе различных заболеваний на территорию Владимирской области.
4. Сотрудниками информационно-аналитического центра составлены методические рекомендации по применению программного обеспечения ArcGIS для геопространственного анализа вспышек заболеваний животных [10, 11]. Они предназначены для эпизоотологов, научных сотрудников, персонала управлений Россельхознадзора и Департаментов ветеринарии субъектов Российской Федерации.
Международные неправительственные организации
В настоящее время существует ряд международных ассоциаций, объединяющих специалистов в области здравоохранения и ветеринарии и активно использующих ГИС-методы для анализа данных. Одной из таких ассоциаций является GisVET (в последние годы – GEOVET). Это неформальная организация, основанная лидерами в применении ГИС в области ветеринарии, такими как P.Durr, A.Gatrell, M.Ward, A.Lawson. Проводимые под эгидой GEOVET конференции (один раз в три года), начиная с 2001 г. служат международным форумом для научных сотрудников, применяющих методы ГИС-анализа и моделирования в области ветеринарной медицины [12]. Работы участников конференций публикуются в таких журналах как «Preventive Veterinary Medicine» [13] и «Spatial and Spatio-temporal Epidemiology» [14]. На последних двух конференциях представителями со стороны России были сотрудники ФГУ «Всероссийский центр охраны здоровья животных», которые помимо научного форума прошли соответствующие курсы обучения с получением международных сертификатов. Упомянутая выше работа по определению факторов риска распространения африканской чумы свиней была представлена на последней конференции в Австралии и заявлена на публикацию в журнале “Preventive Veterinary Medicine”.
Другая известная организация – GnosisGIS [15]. Это коммерческая ассоциация, объединяющая специалистов в области здравоохранения и ветеринарии, специализирующихся на использовании данных дистанционного зондирования Земли для выявления природных очагов заболеваний (главным образом – паразитарных). Суть методики заключается в анализе спутниковых снимков, характеризующих наличие биомассы (индекс NDVI), температуры, влажности на исследуемой территории, и выделении ареалов, пригодных по совокупности климатических условий для обитания и размножения того или иного вида возбудителя заболеваний. В зарубежной литературе такой подход называется методом «экологических ниш». Другой распространенный прием при составлении карт риска возникновения заболеваний – байесовское картографирование [16]. Метод основан на применении теоремы Байеса для вычисления вероятности возникновения заболевания на исследуемой территории путем анализа факторов риска и учета данных о заболеваемости за предыдущий период времени. Основные цели данной организации:
- поддержка сотрудничества специалистов в области здравоохранения, специализирующихся в разработке систем прогноза заболеваний с помощью ГИС-методов;
- публикация журнала «Geospatial Health» [17], где представляются работы по картографированию риска возникновения и распространения заболеваний и моделированию экологических ниш (природных очагов) с использованием геопространственных методов;
- проведение регулярных курсов по применению геопространственных методов в области здравоохранения и ветеринарии;
- проведение ежегодных конференций по обмену опытом между участниками ассоциации;
- публикация в интернете готовых карт и данных по рассматриваемой тематике.
К сожалению, со стороны России зарегистрированным членом данной организации пока является единственный представитель в лице ФГУ «Всероссийский центр здоровья животных», участвующий в проводимых ежегодных конференциях этой организации.
Литература и ссылки
1. GIS and Spatial Analysis in Veterinary Science. Edited by Durr, P.A., Gatrell, A.C./ CABI Publishing, 2004.- 307 p.
2. Kistemann, T., Dangendorf, F., Schweikart, J. New perspectives on the use of Geographical Information Systems (GIS) in environmental health sciences/ J. Hyg. Environ. Health, 2002- v.205.- p. 169-181
3. «Эпидемически значимые объекты Владимирской области. Ветеринарный атлас» – на официальном сайте Россельхознадзора: http://www.fsvps.ru/fsvps-docs/ru/iac/publications/iac_public8.pdf
4. Официальный сайт Россельхознадзора. Раздел «Эпидситуация»: http://www.fsvps.ru/fsvps/iac
5. Сайт DIVA-GIS. Доступные для свободной загрузки данные по административному делению стран, населению, рельефу, дорожной сети, водным объектам и т.д.: http://www.diva-gis.org/Data
6. Доступные для свободной загрузки данные по населению в мире: http://sedac.ciesin.columbia.edu/gpw/global.jsp
7. Доступные для свободной загрузки данные по поголовью с/х животных и площадям сельхозугодий для стран мира на официальном сайте FAO: http://kids.fao.org/glipha/
8. Статистически-ориентированная программная среда “R”. Официальный сайт: http://www.r-project.org/
9. Североамериканская модель распространения заболеваний животных (NAADSM). Официальный сайт: http://naadsm.org
10. Методические рекомендации по использованию геоинформационной системы ArcGIS в эпизоотологическом анализе: http://www.fsvps.ru/fsvps-docs/ru/iac/publications/iac_public12.pdf
11. Методические рекомендации по картографическому анализу распространения африканской чумы свиней на территории Российской Федерации: http://www.fsvps.ru/fsvps-docs/ru/iac/publications/iac_public14.pdf
12. Сайт международной конференции GEOVET-2010: http://sydney.edu.au/vetscience/research/geovet/program.shtml
13. Журнал «Preventive Veterinary Medicine»: http://www.elsevier.com/wps/find/journaldescription.cws_home/503315/description#description
14. Журнал «Spatial and Spatio-temporal Epidemiology»: http://www.elsevier.com/wps/find/journaldescription.cws_home/719813/description#description
15. Ассоциация GnosisGIS: http://www.gnosisgis.org/
16. Lawson, Andrew B. Bayesian Disease Mapping: Hierarchical Models in Spatial Epidemiology / Chapman and Hall/CRC. 2008. — 368 p.
17. Журнал «Geospatial Health»: http://www.geospatialhealth.unina.it
