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Remote sensing for disease risk profiling: a spatial analysis of schistosomiasis in West Africa

Fernerkundung für die Risikoabschätzung von Krankheiten: Eine räumliche Analyse der Krankheit Schistosomiasis in West Afrika

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-108845
  • Global environmental change leads to the emergence of new human health risks. As a consequence, transmission opportunities of environment-related diseases are transformed and human infection with new emerging pathogens increase. The main motivation for this study is the considerable demand for disease surveillance and monitoring in relation to dynamic environmental drivers. Remote sensing (RS) data belong to the key data sources for environmental modelling due to their capabilities to deliver spatially continuous information repeatedly forGlobal environmental change leads to the emergence of new human health risks. As a consequence, transmission opportunities of environment-related diseases are transformed and human infection with new emerging pathogens increase. The main motivation for this study is the considerable demand for disease surveillance and monitoring in relation to dynamic environmental drivers. Remote sensing (RS) data belong to the key data sources for environmental modelling due to their capabilities to deliver spatially continuous information repeatedly for large areas with an ecologically adequate spatial resolution. A major research gap as identified by this study is the disregard of the spatial mismatch inherent in current modelling approaches of profiling disease risk using remote sensing data. Typically, epidemiological data are aggregated at school or village level. However, these point data do neither represent the spatial distribution of habitats, where disease-related species find their suitable environmental conditions, nor the place, where infection has occurred. As a consequence, the prevalence data and remotely sensed environmental variables, which aim to characterise the habitat of disease-related species, are spatially disjunct. The main objective of this study is to improve RS-based disease risk models by incorporating the ecological and spatial context of disease transmission. Exemplified by the analysis of the human schistosomiasis disease in West Africa, this objective includes the quantification of the impact of scales and ecological regions on model performance. In this study, the conditions that modify the transmission of schistosomiasis are reviewed in detail. A conceptual underpinning of the linkages between geographical RS measures, disease transmission ecology, and epidemiological survey data is developed. During a field-based analysis, environmental suitability for schistosomiasis transmission was assessed on the ground, which is then quantified by a habitat suitability index (HSI) and applied to RS data. This conceptual model of environmental suitability is refined by the development of a hierarchical model approach that statistically links school-based disease prevalence with the ecologically relevant measurements of RS data. The statistical models of schistosomiasis risk are derived from two different algorithms; the Random Forest and the partial least squares regression (PLSR). Scale impact is analysed based on different spatial resolutions of RS data. Furthermore, varying buffer extents are analysed around school-based measurements. Three distinctive sites of Burkina Faso and Côte d’Ivoire are specifically modelled to represent a gradient of ecozones from dry savannah to tropical rainforest including flat and mountainous regions. The model results reveal the applicability of RS data to spatially delineate and quantitatively evaluate environmental suitability for the transmission of schistosomiasis. In specific, the multi-temporal derivation of water bodies and the assessment of their riparian vegetation coverage based on high-resolution RapidEye and Landsat data proofed relevant. In contrast, elevation data and water surface temperature are constraint in their ability to characterise habitat conditions for disease-related parasites and freshwater snail species. With increasing buffer extent observed around the school location, the performance of statistical models increases, improving the prediction of transmission risk. The most important RS variables identified to model schistosomiasis risk are the measure of distance to water bodies, topographic variables, and land surface temperature (LST). However, each ecological region requires a different set of RS variables to optimise the modelling of schistosomiasis risk. A key result of the hierarchical model approach is its superior performance to explain the spatial risk of schistosomiasis. Overall, this study stresses the key importance of considering the ecological and spatial context for disease risk profiling and demonstrates the potential of RS data. The methodological approach of this study contributes substantially to provide more accurate and relevant geoinformation, which supports an efficient planning and decision-making within the public health sector.show moreshow less
  • Globale Umweltveränderungen rufen neue Gesundheitsrisiken hervor. Eine Konsequenz sind veränderte Bedingungen für die Übertragung von umweltbezogenen Krankheiten und ansteigende Infektionen mit neu auftauchenden Erregern. Die Motivation für diese Arbeit basiert auf der steigenden Nachfrage, dynamische Veränderungen der Umwelt und deren Beziehung zu Veränderungen von umweltbedingten Krankheiten zu überwachen. Fernerkundungsdaten gehören zu den wichtigsten Datenquellen für die Umweltmodellierung, da diese es ermöglichen, die LandbedeckungGlobale Umweltveränderungen rufen neue Gesundheitsrisiken hervor. Eine Konsequenz sind veränderte Bedingungen für die Übertragung von umweltbezogenen Krankheiten und ansteigende Infektionen mit neu auftauchenden Erregern. Die Motivation für diese Arbeit basiert auf der steigenden Nachfrage, dynamische Veränderungen der Umwelt und deren Beziehung zu Veränderungen von umweltbedingten Krankheiten zu überwachen. Fernerkundungsdaten gehören zu den wichtigsten Datenquellen für die Umweltmodellierung, da diese es ermöglichen, die Landbedeckung flächendeckend, reproduzierbar und in einer adäquaten räumlichen Auflösung zu kartieren. Ein Forschungsbedarf, der in dieser Studie identifiziert wird, ist die fehlende Berücksichtigung einer räumlichen Diskrepanz innerhalb der bisherigen Vorgehensweise der Modellierung von Krankheitsrisiken mit Fernerkundungsdaten. Typischerweise werden epidemiologische Daten als Prävalenz einer Krankheit aggregiert erhoben, beispielsweise auf Schul- oder Dorfebene. Jedoch repräsentieren diese Punktmessungen weder die räumliche Verteilung von Habitaten, in welchen krankheitsrelevante Arten ihre geeigneten Umweltbedingungen vorfinden, noch den Ort, an dem sich die Menschen infiziert haben. Die Konsequenz ist, dass Messpunkte der Krankheitprävalenz und fernerkundungsbasierte Umweltvariablen, welche das Habitat von krankheitsrelevanten Arten charakterisieren sollen, räumlich nicht übereinstimmen. Das Hauptziel dieser Studie ist, ein Verfahren für die Anwendung von Fernerkundungsdaten bei der Modellierung von Krankheitsrisiken zu entwickeln, welches sowohl den ökologischen als auch den räumlichen Kontext der Krankheitsübertragung widerspiegelt. Am Beispiel der Krankheit Schistosomiasis werden weitere mögliche Einflussgrößen auf die Modellgüte quantitativ bewertet. Dies sind unter anderem die verschiedenen Skalenniveaus und die Heterogenität von Ökozonen. In dieser Arbeit werden die Bedingungen, die auf die Übertragung von Schistosomiasis einen Einfluss haben, aus der bestehenden Literatur im Detail ermittelt. Es wird eine konzeptionelle Grundlage entwickelt, die bestehende Zusammenhänge zwischen satellitengestützten Messungen, der Ökologie der Krankheitsübertragung sowie zu den Ergebnissen der epidemiologischen Studien ermittelt. Während eines Aufenthaltes im Untersuchungsgebiet wurde die Eignung der Umwelt für die Übertragung der Schistosomiasis analysiert. Diese Umwelteignung wird durch die Entwicklung eines Habitat-Eignungs-Index (habitat suitability index, HSI) quantifiziert und mit relevanten Fernerkundungsvariablen verknüpft. Im nächsten Schritt werden Inhalte dieses konzeptionellen Modells gezielt für die Entwicklung eines hierarchischen Modellansatzes verwendet, welcher die gemessene Prävalenz in einen statistischen Zusammenhang mit ökologisch relevanten Messungen von Fernerkundungsdaten bringt. Die statistischen Modelle des Risikos, sich mit Schistosomiasis zu infizieren, basieren auf zwei verschiedenen Modellalgorithmen, dem sogenannten Zufalls-Wald Algorithmus (Random Forest) und der Regression der partiellen, kleinsten Quadrate (Partial Least Squares Regression, PLSR). Der Einfluss von räumlichen Skalen auf die Risikomodellierung wird anhand verschiedener räumlicher Auflösungen der Fernerkundungsdaten ermittelt. Darüber hinaus werden unterschiedlich große Einzugsgebiete mit Hilfe eines Pufferverfahrens (Buffer) anhand der Schulen mit Prävalenzmessungen analysiert. Risikomodelle der Schistosomiasis werden für drei ausgewählte Untersuchungsgebiete in Burkina Faso und der Elfenbeinküste erstellt, welche einen ökologischen Gradienten von der Trockensavanne zum tropischen Regenwald sowie von flachen und bergigen Regionen darstellt. Diese Studie zeigt, dass Fernerkundungsdaten für die räumliche Abgrenzung und eine quantitative Bewertung der Umwelteignung für die Übertragung der Schistosomiasis geeignet sind. Besonders relevante Informationen sind zeitlich dynamische Veränderungen der Wasserbedeckung sowie die Erfassung des Grades der Ufervegetationsbedeckung auf Basis von hochaufgelösten RapidEye und Landsat Daten. Hingegen sind topographische Daten und die satellitengestützten Messungen der Temperatur nur eingeschränkt geeignet um Habitate der Parasiten und Frischwasserschnecken als wesentlichen Bestandteil der Krankheitsübertragung zu charakterisieren. Bei zunehmender Größe des Einzugsgebietes der Schulen verbessern sich die statistischen Modelle und können somit das Übertragungsrisiko besser erfassen. Die wichtigsten Fernerkundungsvariablen für die Modellierung des Schistosomiasis Risikos sind die Distanz zum nächstgelegenen Gewässer, topographische Variablen sowie die Landoberflächentemperatur (land surface temperature, LST). Für jede Ökozone muss jedoch eine geeignete Zusammenstellung von Fernerkundungsvariablen getroffen werden. Ein ganz wesentliches Ergebnis der hierarchischen statistischen Modellierung ist eine verbesserte Erklärung des räumlichen Risikos von Schistosomiasis. Insgesamt unterstreicht diese Studie die Bedeutsamkeit des ökologischen und räumlichen Kontexts für die Abschätzung des Krankheitsrisikos und demonstriert das Potential von Fernerkundungsdaten. Der methodische Ansatz dieser Arbeit kann wesentlich dazu beitragen, genaue und relevante Geoinformationen bereitzustellen. Damit wird eine effizientere Planung und Entscheidungsfindung innerhalb des Gesundheitssektors ermöglicht.show moreshow less
  • Le changement environnemental global conduit à l'émergence de nouveaux risques pour la santé humaine. En conséquence, les voies de transmission des maladies liées à l'environnement, sont modifies de meme que l'infection humaine avec l´accroissement des nouveaux agents pathogènes émergents. La motivation principale de cette étude est la demande considérable pour la surveillance et le suivi des maladie en relation avec la dynamique des facteurs environnementaux. Les données de la télédétection sont les sources principales utilisees pour laLe changement environnemental global conduit à l'émergence de nouveaux risques pour la santé humaine. En conséquence, les voies de transmission des maladies liées à l'environnement, sont modifies de meme que l'infection humaine avec l´accroissement des nouveaux agents pathogènes émergents. La motivation principale de cette étude est la demande considérable pour la surveillance et le suivi des maladie en relation avec la dynamique des facteurs environnementaux. Les données de la télédétection sont les sources principales utilisees pour la modélisation de l'environnement en raison de leurs capacités à fournir une information de maniere spatiale, repetitive et continue pour les grandes surfaces avec une résolution spatiale écologique adéquate. L´importante lacune de la recherche scientifique identifiée par cette étude est la non considération de la disparité spatiale inhérente dans les approches actuelles de modélisation des risques de la maladie en utilisant des données de la télédétection. Généralement, les données épidémiologiques sont regrouper à l'école ou au niveau du village. Toutefois, ces données ne peuvent pas représenter la distribution spatiale des habitats et definir les conditions environnementales favorable a la proliferation des agents pathogenes de la maladie, ni le lieu, où l'infection s´est produite. En conséquence, les données sur la prévalence et les variables environnementales de la télédétection, qui visent à caractériser l'habitat des agents liés à la maladie, sont spatialement disjointes. L'objectif principal de cette étude est d'améliorer en utilisant la télédétection les modèles de risque de maladie en incorporant l´aspect écologique et spatiale de la transmission de la maladie. Illustré par l'étude des personnes infectées de la schistosomiase en Afrique de l'Ouest, cet objectif comprend la quantification du niveau d'impact des régions écologiques sur les performances du modèle. Dans cette étude, les conditions qui modifient la transmission de la schistosomiase sont examinées en détail. Une approche conceptuelle reliant les données mesurées issues de la télédétection, la transmission de la maladie, l'écologie et des données de l'enquête épidémiologique a été développé. A partir d'une étude sur le terrain, les facteurs environnementaux à la transmission de la schistosomiase ont été évalués, ensuite quantifiés par l´indice de qualité de l'habitat (habitat suitability index, HSI) et combiné aux données de la télédétection. Le modèle conceptuel de la pertinence environnemental a été affiné par le développement d'une approche de modèle hiérarchique qui relie statistiquement la prévalence de la maladie en milieu scolaire avec les mesures écologiques pertinentes de données de la télédétection. Les modèles statistiques de risque de schistosomiase proviennent de deux différents algorithmes; la forêt aléatoire (Random Forest) et la régression des moindres carrés partiels (Partial Least Squares Regression, PLSR). Le niveau d'impact a été analysé sur la base de différentes résolutions spatiales de données de la télédétection. En outre, des divers degrés carre des bassin de réception ont été analysés autour de mesures en milieu scolaire. Trois sites distinctifs du Burkina Faso et de la Côte d'Ivoire sont spécifiquement modélisés pour représenter un gradient de écozones de savane sèche a forêt tropicale y compris les régions plates et montagneuses. Les résultats du modèle révèlent l'applicabilité des données de la télédétection pour la délimitation spatiale et l’évaluation quantitative de la pertinence de l'environnement pour la transmission de la schistosomiase. Precisement, la dérivation multi-temporelle des course d'eau et l'évaluation de leur couverture riveraine de végétation a partir des images à haute résolution RapidEye et Landsat jugées adequate. En revanche, les données d'altitude et de température de la surface de l'eau ont montré certaines limites dans leur capacité à caractériser les conditions de l'habitat des parasites et des escargots en tant que composantes essentielles de la transmission de la maladie. Avec l'augmentation des degrés carres des bassins de réception observés autour de l'emplacement de l'école, la performance des modèles statistiques augmente, améliorant ainsi la prédiction du risque de transmission. Les plus importantes variables des données de la télédétection identifiées pour modéliser le risque de schistosomiase sont la mesure de la distance des plans d'eau, les variables topographiques, et la température de surface de la terre (land surface temperature, LST). Cependant, chaque région écologique nécessite une serie différente de variables de données de télédétection afin d´optimiser la modélisation du risque de schistosomiase. Le résultat primordial de l'approche du modèle hiérarchique est sa supérieure performance à expliquer le risque spatiale de la schistosomiase. Dans l'ensemble, cette étude souligne l'importance cruciale de tenir compte du contexte écologique et spatiale pour le profilage du risque de maladie et démontre le potentiel des données de télédétection. L'approche méthodologique de cette étude contribue de manière substantielle à fournir avec plus de précision et de pertinence l'information géographique, prenant en charge une planification efficace et la prise de décision dans le secteur de la santé publique.show moreshow less

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Metadaten
Author: Yvonne Walz
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-108845
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Philosophische Fakultät (Histor., philolog., Kultur- und geograph. Wissensch.)
Faculties:Philosophische Fakultät (Histor., philolog., Kultur- und geograph. Wissensch.) / Institut für Geographie und Geologie
Referee:Prof. Dr. Stefan Dech, Prof. Dr. Jürg Utzinger
Date of final exam:2015/01/14
Language:English
Year of Completion:2014
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 52 Astronomie / 526 Mathematische Geografie
GND Keyword:Westafrika; Fernerkundung; Umweltveränderung; Gesundheitsgefährdung; Bilharziose
Tag:diseases; remote sensing; risk profiling; schistosomiasis
CCS-Classification:A. General Literature
MSC-Classification:00-XX GENERAL
PACS-Classification:00.00.00 GENERAL
JEL-Classification:Z Other Special Topics
Release Date:2016/01/14
Licence (German):License LogoCC BY-SA: Creative-Commons-Lizenz: Namensnennung, Weitergabe unter gleichen Bedingungen