遥感在流行病学研究和全球大流行监测中的作用

事实是，世界要求以“环境安全、清洁和合乎道德”的方式生产更健康的动物和动物产品。这给主要关注提高牲畜生产力[1]的动物科学家带来了新的挑战。增进对动物营养、动物繁殖(育种)和动物健康方面技术的了解和转让，对全球范围内的粮食安全、减贫和环境保护至关重要。众所周知，核应用是现代生物技术研究的先锋。例如，最常用的疾病监测技术是酶联免疫吸附试验(ELISA)，它是通过使用放射性同位素的血清学研究开发的(放射免疫法，Western Blot)，许多仍然使用伽马辐射的病原体作为安全抗原。同样，分子诊断和表征技术是利用无线电同位素应用建立起来的。但是，技术的扩散和事件的全球化已经使疾病的控制和监测超越了实验室的四面墙，现在需要多学科和空间方法。气候变化和全球变暖或“温室效应”现在是一个家庭用语，但对人类和动物的健康构成重大挑战。

人类与直接环境的互动一直是一种“从土地中获取我所需要的东西”的态度，而没有考虑之后会发生什么。[2]在他们的研究中确定了动物健康监测系统涉及的一些关键行为方面，以及应用研究的必要性，研究了资源分配、成本效益、以及监控系统背景下整个牲畜供应链参与者的行为考虑。“自然世界”与“人类管理的世界”发生了巨大的冲突，导致自然资源不可持续。我们生态区域的现状，特别是在尼日利亚(那里有明显的证据表明热带雨林逐渐转变为大草原草原)，是我们社会经济环境中决定性现象的结果，这种情况鼓励了这些非常重要的资源的耗竭，而没有适当的替代计划。非洲热带地区频繁发生的自然和人为火灾也造成了自然生态栖息地的减少，并使支撑自然生态栖息地的土壤退化，从而加快了主要生态栖息地的迅速变化。另一个看似棘手的现象可以追溯到农村人口迁移导致城市人口密度爆炸，随后导致生物多样性。所有这些都与全球气候条件的急剧变化相结合，并对其产生影响，导致自然生态系统与人类管理的生态系统之间迅速失衡。

2003年底，高致病性禽流感(HPAI) A型，H5N1亚型病毒(HPAI/H5N1)在亚洲重新出现，引发禽流感流行。它从亚洲迅速传播到欧洲、中东和非洲。据说，这一病毒的迅速传播是由于禽类贸易不受控制和长途携带病毒的受感染候鸟造成的。由于高致病性禽流感是一种人类死亡率超过60%的主要人畜共患病，可能发生的全球大流行流感构成严重威胁，对人类和动物健康产生严重影响;严重的社会经济影响和复杂的政治影响。现代细菌学、流行病学和治疗学的建立和发现带来了巨大的进步，延长了寿命，显著减少了疾病传播和宿主易感性[3]。这一进步塑造了现代医学和公共卫生政策，实现了更好的营养和住房，更安全的食品和水，并改善了个人卫生和环境卫生。虽然我们在传染病的治疗、控制和预防方面肯定比以往任何时候都要好，但传播疾病的风险也因社会、技术和环境(自然和人为引起的)的变化而增加。因此，在应对检测、控制和监测领域的帮助需求方面，遥感应用技术已证明是可操作和可靠的[4,5]。因此，本文旨在重新呼应遥感和GIS应用在疾病监测、监测和流行病控制中的征程。

遥感(RS)是一种基于图像和地图的工具，可用于研究疾病的分布、动态和环境相关性。Hugh-Jones [6,7] RS是从空中或卫星平台收集地球表面的数字图像并将其转化为地图的一种行为。而GIS是一种数据管理系统，它组织和显示来自RS或其他来源的数字地图数据，便于分析映射特征之间的关系。不同类型的分辨率是每个传感器的特征，定义了每个场景的信息内容。

根据这一定义，遥感技术在动物监测等环境问题中的独特性包括以下几点:

• •实时数据信息收集。
• •可能直接电传输到接收站和行动区域。
• •大面积覆盖成本相对较低。
• •能够通过热红外和微波传感器昼夜操作。

遥感技术完全依靠电磁传感器，在从伽马射线(0.03微米)到可见光和红外波段到0.3-300厘米的微波波段的各种波段内工作。图像中物体的可检测性取决于地面分辨率，与此相关的是图像对比度，它影响细节的识别[8]。因此，除了空间分辨率，图像的光谱分辨率有助于目标识别和图像解释性。而平台的时间分辨率(重访周期)对时间空间分析也很重要。波段使用和平台类型以及不同的有效载荷决定了成像产品或原始数据的应用、目标类型、空间质量(分辨率)和光谱分辨率。一些卫星平台及其特点见(表1)。

(改编自konecny, 2002)。(XS=多光谱，P=全色，R=雷达)

表1:样本卫星传感器及其空间分辨率

光谱分辨率是指给定传感器中各波段的光谱范围，表示能量采样频率。由于目标在每个光谱范围内显示不同的响应，这些信息被用来识别这样的目标。例如，在一个植被地区，人们观察到近红外区域的高反射率值和可见的红色波段的低反射率值。空间分辨率可以定义为可以个性化的最小的地形面积。对于遥感技术和操作而言，时间分辨率表示两颗卫星经过地球上同一点的时间间隔(图1和图2)。

图1:卫星传感器在轨道上的图像采集

来源:改编自彼得·拉比诺维茨(2006)

图2:信标点和信息跟踪技术的相互连接。

资料来源:改编自彼得·拉比诺维茨(2006)。

SARSCoV-2(又称COVID-19)从中国湖北省武汉出现，并像火一样迅速在中国和世界其他国家蔓延。然而，由于其巨大的影响，世界卫生组织宣布它为全球大流行。一般来说，当谈到病毒突变时，冠状病毒通常是宿主特异性的:它们用刺突蛋白附着在宿主上，其特殊形状通常只适合一个宿主。刺突蛋白的形状是由S基因决定的。因此，如果冠状病毒跳到新的宿主上，“S”基因一定发生了变化。这种变化不可能是一个小的点突变集，因为不同的动物物种需要非常不同的刺突蛋白。因此，在最近从动物宿主跃迁到人类的三种冠状病毒(SARS-CoV、MERS-CoV和SARS-CoV-2)病例中，每一种病例的“S”基因似乎都发生了较大的变化。因此，这一较大的变化可能有两个原因复合(自然过程)和基因工程．

冠状病毒的一个普遍问题特征是其常见的重复感染，这可能是因为对这些病毒的免疫反应不完全或存活时间短。也有可能是刺突蛋白随着时间的推移而发生变化，因此抗体不能提供完全的保护[10]。刺突蛋白也是抗体试图使病毒失效的部分。这种现象不仅可以在SARS-CoV-2中发现，而且可以在所有三种病毒中发现。例如，[11]表明，接种了表达中东呼吸综合征刺突蛋白的疫苗的骆驼显示出抗体，排出的传染性病毒显著减少。也就是说，即使接种了疫苗，它们仍然具有传染性，这意味着不能低估冠状病毒的活动。系统发育流网络显示，2019年11月至12月在中国武汉首次出现，随后在全球范围内持续出现人传人，并通过“a -D”的传播模式显示出明确的遗传关系(图3)。

图3:截至2020年4月，SARS-CoV-2病毒和COVID-19死亡的全球系统进化，

资料来源:nextstrain.org, 2020年。

自2002年以来，出现了三种新的严重人类冠状病毒(SARS-CoV、MERS-CoV和SARS-CoV-2)。2002年发现的SARS冠状病毒(SARS)也起源于中国瓜洞，令人深思。SARS-CoV起源于蝙蝠，中间宿主很可能是果子狸。瓜洞一个活体动物市场的喜马拉雅棕榈果子狸冠状病毒与人类sars冠状病毒[12]的基因组几乎相同(99.8%)。sars冠状病毒并不仅仅来自果子狸冠状病毒，它要么是重组事件的结果，就像声称的那样，要么是经过设计的。2012年发现的中东呼吸综合征冠状病毒在东非和中东的单峰骆驼中流行。这表明中东呼吸综合征冠状病毒的最初宿主是蝙蝠，因为蝙蝠是许多类型冠状病毒的主要宿主。2009年至2011年期间，对蝙蝠进行的一系列研究显示，在加纳的10只接受测试的蝙蝠中，只有一只黑蝠感染2c- β冠状病毒(即中东呼吸综合征冠状病毒类型)。三分之一的黑蝠携带了这种病毒。来自4个欧洲国家的Pipistrellus蝙蝠中有14.7%感染了2c- β冠状病毒。 Both 2c-beta coronaviruses are close to MERS-CoV. Archived serum samples from camels also revealed that the virus was already common in camels in the early 1980s in Sudan and Somalia.

冠状病毒是RNA病毒，1976年发现的埃博拉病毒也是如此。由[13]绘制的系统发育树。所以重组并不是这种病毒的主要行为，但在扎伊尔有一例埃博拉病毒的重组，1996年到2001年两个分支之间的重组事件被发现导致了2001年到2003年的一系列埃博拉疫情。传统DNA病毒的系统发育树，如天花病毒和麻疹病毒，似乎是树[14][15]。

自然重组的解释在穿山甲冠状病毒中并不成立:在重组的解释中，穿山甲可能已经感染了两种冠状病毒，一种来自携带S基因的蝙蝠，但不会感染人类，另一种来自携带S病毒的其他动物，在这些病毒的RNA重组之前，该病毒会感染人类。但似乎没有这样的病毒，假设有这样的病毒只会使问题进一步复杂化。争论的问题是，仅仅是随机的病毒突变可能不会产生足够的变化来创造一个显著不同的S基因，因为病毒种群非常大，这不能从基因上解释。

与病媒传播的地方性疾病最密切相关并可从空间平台观测到的环境因素包括:温度、水、土壤湿度、植物覆盖条件、森林砍伐、城市特征、海洋颜色和地形。卫星传感器的设计具有各种时间、空间和光谱特征和分辨率，以提供许多环境变化参数的测量，其中一些是第一次。超过90个不同的任务在轨道上携带超过200种不同的仪器。可以对特征变化已知的生物体进行测量，以评估环境污染的程度及其对人类和动物健康的影响，并对这些影响提供早期预警[16- 20,6]。一系列新出现的疾病(如埃博拉出血热、汉坦病毒、萨斯、H5N1禽流感)和重新出现的疾病(如鼠疫、裂谷热、西尼罗河病毒、疟疾)的爆发和流行不仅表明微生物和病毒因素对公共卫生的影响，而且表明这些因素与社会和环境决定因素之间动态相互作用的相关性[21]。虽然我们在治疗、控制和预防传染病方面肯定比以往任何时候都要好，但由于社会、技术和环境(自然和人为)的变化，传播疾病的风险也增加了。认识到这些重要趋势，卫生组织呼吁开发和实施新的疾病监测工具(卫生组织，2004年)。新的工具包括景观流行病学的应用，它应反映病媒栖息地的气候和环境条件，并得出空间和时间的疾病风险。许多与环境变化和疾病模式有关的参数现在由飞机和卫星上的仪器持续远程监测，并使用专门的计算机软件进行空间建模。

因此，遥感和地理信息系统(GIS)技术已被广泛用于描述影响疾病模式和流行的地方和景观级特征，然后在空间和时间上模拟卫生事件的发生[22]。大多数传染病和病媒传播疾病(病原体、病媒、人畜共患病宿主)的时空分布及其与人类的相互作用受到植被、温度、景观结构、湿度和降雨等环境因素的综合影响。目前，这些因素中的大多数都是用现有遥感系统的数据进行测量、观察和/或建模的[24-26]。

遥感地理信息系统(GIS)的使用在传染病监测系统中有许多应用，因为它向最终用户提供了迅速和有效地应对流行病威胁的能力。大多数生物监测研究和开发的重点是自动新闻警报服务(如生物观察)和人类临床数据(如国际疾病分类诊断代码使用的峰值)中的异常。国际社会通过ProMED、媒体跟踪和世界卫生组织(世卫组织)促成的官方疾病报告了解疫情。因此，从动物疾病的监测和预测中，及时获取疫情发生的信息是非常明显的。使用通信卫星(电信)，如“palapa B2-p”，它有助于从一个站到世界各地的另一个站中继信息是主要的好处。这些卫星的运行高度比气象卫星高得多，有时甚至比气象卫星还要高。气象卫星有时被称为“实时通信”。

在自然宿主或人类种群中，图谱特征与疾病之间往往存在统计学关系。如果疾病动态和分布与所映射的环境变量明显相关，RS和GIS是最有用的。例如，如果一种疾病与某些植被类型或物理特征(海拔、平均降水量)有关，RS和GIS就可以确定风险相对较高的区域。过去的研究包括墨西哥南部和亚洲的疟疾病例[27]。肯尼亚的裂谷热[28]伊利诺伊州的莱姆病[29]。非洲锥虫病，以及美国东南部人、动物和牲畜中的血吸虫病[30]。蓝舌病及其带菌者的传播提供了一些迄今为止最有力的证据;气候变化正在推动病媒传播的疾病进入新的地区，因为气候变暖和疾病传播在同一时间同一地点发生。

这并不是对动物的唯一威胁，正如2005年在肯尼亚爆发的裂谷热(超过150人死亡)和2007年在苏丹爆发的裂谷热(约200人死亡)可以看出的那样。由于在过去25年里75%的人类新疾病来自动物，即被归类为人畜共患疾病，现在应进一步采取和实现一种"一药"办法，以满足世界的迫切需要。医学-兽医病原体的特异性核酸和蛋白质的检测和表征已被证明对诊断是无价的。扩增和信号检测系统的集成，包括在线实时设备，提高了速度和灵敏度，极大地促进了靶蛋白和核酸的量化。用于现场使用的坚固便携式实时仪器和用于处理样品的机器人设备已经商业化。美国宇航局艾姆斯的航空航天相关技术健康应用中心(CHAART)开发了一套网页，用于评估健康应用传感器[31]。

自1981年中期以来，大多数关于全球或区域植被状况的研究都使用了NOAA极地轨道气象卫星系列中的高级超高分辨率辐射计(AVHRR)仪器的数据[32,33]。用于流行病学研究的AVHRR仪器的数据包括从热通道获得的表观表面温度。一系列遥感指标揭示了与埃博拉出血热、裂谷热和腺鼠疫等传染病和病媒传播疾病的触发点和前沿在时间和空间上相关的不寻常气候条件[34]。目前，一些试点研究正在新墨西哥、亚利桑那州和科罗拉多州(四个角州)的某些地区进行，以评估、验证和基准测试地球观测系统(EOS) Terra和Aqua卫星上的中分辨率成像光谱仪(MODIS)传感器的数据集、陆地卫星TM数据、航天飞机雷达地形任务(SRTM)、热带降雨测量任务(TRMM)以及其他由NASA和NOAA提供的遥感平台的使用。

埃博拉出血热以中非的埃博拉河命名，首次出现于1976年6月，当时苏丹恩扎拉和马里迪爆发疫情。1976年9月，在刚果民主共和国(刚果民主共和国)扬布库确认了另一次疫情。1977年6月在刚果民主共和国坦达拉确认了一例死亡病例，随后于1979年7月在苏丹恩扎拉又发生了一次疫情。今年10月，灵长类动物学家在科特迪瓦Taï， Côte-d '研究的一个黑猩猩群落中发现了疫情，一人感染。2000年8月至2001年1月，乌干达古卢区发生了最大的埃博拉出血热疫情。2001年12月，埃博拉在加蓬的奥古乌伊温多省再次出现，并延伸到刚果共和国的姆博莫区，一直持续到2002年7月。

利用卫星数据研究了伊波拉出血热和其他几种传染病，例如裂谷热、霍乱、汉坦病毒，这些数据表明气候对发病率的调节作用。主要从事动物疾病监测的其他合作机构是empresi(信息、情报、干预)。新开发的EMPRES全球动物疾病信息系统(empresi)是一个基于网络的应用程序，旨在支持国家兽医流行病学家，促进区域和全球信息共享和合作，逐步控制和根除主要的TADs。例如，监测表明干旱、洪水或其他自然或人为灾害的气候参数，可有助于了解动物和人的流动，从而对动物疾病的传播产生后续影响。

在谈到遥感和GIS在cOVID-19中的潜力时，值得注意的是，截至2006年，美国波士顿儿童医院的一个由流行病学家和软件开发人员组成的研究团队使用在线媒体来源实时监测新出现的公共卫生威胁，生成了所谓的“健康地图”。他们整理来自各种来源的疫情数据，包括经过验证的官方警报(例如来自世卫组织)和专家，以制作带有地理位置更新的近乎实时的卫生地图，以便更好地了解大流行的进展。空间分析方法是模拟疾病传播的有力工具;检测模式和统计上显著的热点，从而预测未来的模式发生。

世界正因人类在微观和宏观层面上的所有发展活动而变得越来越紧张，而旨在实现自我维持的自然力量也在丧失作用，从而损害动物和人类的生命。任何一种疾病的爆发仅仅是生态失衡的一个指标，可以通过早期预警装置和工具来诊断工作中揭示的已知和未知的新出现疾病来缓解这种失衡。因此，遥感和地理信息系统是在各级避免一般环境危害的最有效技术。

为了应对目前全球生态、生境和疾病传播的动态，信通技术、遥感和地理信息系统应像[34]等研究人员所应用的那样，在所有层面上给予最优先的考虑，一旦根据它们对动物和人类疾病监测的相关性和影响确定优先考虑，应在微观和宏观层面监测以下参数:

• •气候指标。
• •内乱地区的人民/难民流离失所。
• •牲畜贸易路线/模式和变化;季节性迁移放牧模式。
• •人为导致的环境变化(灌溉计划、水坝建设、森林砍伐)。
• •检查站/检疫点/等候地的位置。
• •牲畜和大宗商品市场价格波动。
• •主要的节日(如沙特阿拉伯的哈吉节)

该系统将有助于提供对疾病流行病学的合理预测，并突出应实施有针对性监测的地区或地区。