Ứng dụng viễn thám, hệ thống thông tin địa lý và các thuật toán tối ưu trong đánh giá nguy cơ sốt rét tại tỉnh đắk nông

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Hồng Phƣơng ỨNG DỤNG VIỄN THÁM, HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ VÀ CÁC THUẬT TOÁN TỐI ƢU TRONG ĐÁNH GIÁ NGUY CƠ SỐT RÉT TẠI TỈNH ĐẮK NÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI - 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Hồng Phƣơng ỨNG DỤNG VIỄN THÁM, HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ VÀ CÁC THUẬT TOÁN TỐI ƢU TRONG ĐÁNH GIÁ NGUY CƠ SỐT RÉT TẠI TỈNH ĐẮK NÔNG Chuyên ngành: Mã số: QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG 8850101.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS.TS Đinh Thị Bảo Hoa NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Bùi Quang Thành HÀ NỘI - 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Học viên cao học Nguyễn Hồng Phương LỜI CẢM ƠN Sau năm học tập nghiên cứu trƣờng Đại học Khoa học tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội, biết ơn kính trọng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu nhà trƣờng, thầy/cô Khoa Địa lý nhiệt tình giảng dạy, hƣớng dẫn tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ suốt trình học tập, nghiên cứu khoa học hồn thiện đề tài nghiên cứu Đặc biệt, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy TS Bùi Quang Thành, ngƣời thầy trực tiếp hƣớng dẫn đề tài nghiên cứu tơi, thầy tận tình góp ý, định hƣớng giúp tơi có kết nghiên cứu Nghiên cứu đƣợc tài trợ Đại học Quốc Gia Hà Nội đề tài mã số QG.17.20 Ngoài ra, tơi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đồng nghiệp tạo điều kiện, động viên giúp tơi q trình học tập, nghiên cứu Tuy nhiên, đề tài nghiên cứu tơi khó tránh khỏi thiếu sót tồn Kính mong nhận đƣợc ý kiến quý báu quý thầy, cô giáo, bạn bè đồng nghiệp để hƣớng nghiên cứu tơi tiếp tục đƣợc hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 01 tháng 12 năm 2018 Học viên cao học Nguyễn Hồng Phương MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chƣơng - TỔNG QUAN .6 1.1 Tổng quan .6 1.1.1 Xác định đối tƣợng nghiên cứu 1.1.2 Bệnh sốt rét .7 1.1.3 Các nghiên cứu liên quan 12 1.2 Đặc điểm dịch tễ học sốt rét 14 1.2.1 Nguồn gốc bệnh phƣơng thức truyền bệnh 15 1.2.2 Đặc điểm bệnh dịch sốt rét 20 1.2.3 Yếu tố ảnh hƣởng đến dịch bệnh sốt rét 23 1.2.4 Phân vùng sốt rét cụ thể 26 1.3 Quan điểm nghiên cứu 28 1.4 Đặc điểm điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội, dịch tễ học sốt rét ảnh hƣởng đến phát sinh lan truyền bệnh sốt rét tỉnh Đắk Nông 30 1.4.1 Điều kiện tự nhiên 30 1.4.2 Điều kiện kinh tế - xã hội 41 1.4.3 Đặc điểm cụ thể dịch tễ học sốt rét Đắk Nông 43 Chƣơng - PHƢƠNG PHÁP VÀ DỮ LIỆU NGHIÊN CỨU 46 2.1 Phƣơng pháp nghiên cứu 46 2.1.1 Các phƣơng pháp nghiên cứu 46 2.1.2 Mạng thần kinh nhân tạo (ANN - Artificial Neural Networks) .49 2.1.3 Tối ƣu hóa dựa khái niệm địa lý sinh học (BBO - Biogeographybased optimization) 54 2.1.4 Các tham số hiệu (Performance parameters) 57 2.2 Mô mạng neurons hàm MATLAB 58 2.3 Dữ liệu nghiên cứu 59 2.3.1 Công cụ xử lý liệu (phần mềm ArcGIS ENVI) 69 2.3.2 Xây dựng sở liệu chạy mơ hình 71 Chƣơng - KẾT QUẢ MƠ HÌNH, ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN LUẬN 74 3.1 Chạy mơ hình 74 3.2 Đánh giá kết 76 KẾT LUẬN 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ Danh mục hình vẽ Hình 1.1 Các biện pháp phịng chống sốt rét (Bộ Y tế & WHO, 2016) Hình 1.2 Chu kỳ KSTSR thể ngƣời muỗi (theo CDC, http://www.dpd.cdc.gov.dpdx) Hình 1.3 Phƣơng thức lây truyền (Bộ Y tế & WHO, 2016) Hình 1.4 Các giai đoạn muỗi Anopheles Hình 1.5 Triệu chứng mắc bệnh (Bộ Y tế & WHO, 2016) Hình 1.6 Bệnh sốt rét phát triển cao vào mùa mƣa (Bộ Y tế & WHO, 2016) Hình 1.7 Sơ đồ lây truyền bệnh sốt rét (Vũ Thị Phan, 1996) Hình 1.8 Bản đồ phân vùng sốt rét nƣớc (theo Báo cáo phân vùng dịch tễ SR thực hành Dự án quốc gia phòng chống SR năm 2009) Hình 1.9 Bản đồ ghi nhận số trƣờng hợp mắc sốt rét P.vivax 1000 dân Hình 1.10 Bản đồ ghi nhận số trƣờng hợp mắc sốt rét P falciparum 1000 dân (2016) Hình 1.11 Ví trí tỉnh Đắk Nơng Hình 1.12 Bản đồ tỉnh Đắk Nông Hình 1.13 Biểu đồ nhiệt độ khơng khí trung bình 12 tháng (2010-2016) Hình 1.14 Biểu đồ số nắng trung bình 12 tháng (2010-2016) Hình 1.15 Biểu đồ lƣợng mƣa trung bình 12 tháng (2010-2016) Hình 1.16 Biểu đồ độ ẩm khơng khí trung bình 12 tháng (2010-2016) Hình 1.17 Ngƣỡng độ ẩm tối ƣu muỗi Anopheles Hình 1.18 Ngƣỡng nhiệt độ khơng khí muỗi Anopheles Hình 2.1 Mơ hình liệu quy trình xử lý mạng huấn luyện Hình 2.2 Mơ tả mạng thần kinh tự nh kinh) Hình 2.3 Q trình xử lý thơng tin củ Hình 2.4 Mơ hình mạng ANN (xử lý Hình 2.5 Mơ hình mạng huấn luyện ANN nghiên cứu 54 Hình 2.6 Mơ hình minh họa phong phú lồi với mơi trƣờng sống 56 Hình 2.8 Phần mềm hỗ trợ tính tốn, xây dựng mơ hình mạng MATLAB 59 Hình 2.9 Bản đồ trạng sử dụng đất năm 2010 60 Hình 2.10 Mơ hình số độ cao DEM 65 Hình 2.11 Độ dốc Slope 65 Hình 2.12 Hƣớng dốc Aspect 65 Hình 2.13 Chỉ số NDVI 66 Hình 2.14 Chỉ số LST 66 Hình 2.15 Chỉ số NDMI 66 Hình 2.16 Lƣợng mƣa 67 Hình 2.17 Nhiệt độ 67 Hình 2.18 Gió 67 Hình 2.19 Độ ẩm 67 Hình 2.20 Khoảng cách tới khu dân cƣ 68 Hình 2.21 Khoảng cách tới đƣờng giao thơng 68 Hình 2.22 Khoảng cách tới sông, suối v.v 68 Hình 2.23 Khoảng cách tới vùng ẩm ƣớt 68 Hình 2.24 Khoảng cách tới rừng 69 Hình 2.25 Phần mềm ArcGIS 70 Hình 2.26 Phần mềm ENVI 70 Hình 2.27 Bản đồ vị trí điểm mẫu để huấn luyện mạng (số liệu từ Trung tâm y tế dự phịng tỉnh Đắk Nơng đƣợc thu thập năm 2017) 73 Hình 3.1 Giá trị RMSE sau 300 lần lặp 74 Hình 3.2 Biểu đồ ROC AUC 75 Hình 3.3 Bản đồ nguy sốt rét tỉnh Đắk Nông 75 Hình 3.4 Bản đồ vị trí điểm có nguy sốt rét cao 85 o o Hình 3.5 Điểm Ea pơ (107 51'57''E, 12 41'49''N) 86 o o Hình 3.6 Điểm Đắk Mil (107 37'30''E; 12 26'27''N) 87 o o Hình 3.7 Điểm Nghĩa Trung (107 41'96''E; 11 59'13,2''N) 88 o o Hình 3.8 Điểm Kiến Thành (107 31'26,4''E; 11 59'42''N) 89 o o Hình 3.9 Điểm Nam Dong (107 51'46,8''E; 12 39'21,6''N) 90 o o Hình 3.10 Điểm Quảng Tâm (107 25'26,4''E; 12 8'56,4''N) 91 Danh mục bảng biểu Bảng 1.1 Phân vùng dịch tễ sốt rét can thiệp (2009) 26 Bảng 2.1 Dữ liệu đầu vào cho mơ hình huấn luyện mạng 61 Bảng 3.1 Dữ liệu xử lý liệu 71 Bảng 3.2 Dữ liệu thu thập để đào tạo kiểm thử mạng 72 Bảng 3.3 Tham số kết sau chạy mơ hình 74 Bảng 3.4 Tham chiếu điểm xuất bệnh sốt rét với yếu tố 76 84 Hình 3.3 Bản đồ vị trí điểm có nguy sốt rét cao Ngoài kết hợp với kết thu đƣợc, khảo sát số vị trí có khả cao xuất dịch bệnh từ đồ kết thơng qua ảnh tồn cảnh Google Map địa bàn tỉnh Đắk Nông: 85 o o Hình 3.4 Điểm Ea pơ (107 51'57''E, 12 41'49''N) 86 o o Hình 3.5 Điểm Đắk Mil (107 37'30''E; 12 26'27''N) 87 o o Hình 3.6 Điểm Nghĩa Trung (107 41'96''E; 11 59'13,2''N) 88 o o Hình 3.7 Điểm Kiến Thành (107 31'26,4''E; 11 59'42''N) 89 o o Hình 3.8 Điểm Nam Dong (107 51'46,8''E; 12 39'21,6''N) 90 o o Hình 3.9 Điểm Quảng Tâm (107 25'26,4''E; 12 8'56,4''N) 91 Trên vị trí điểm có nguy cao xuất dịch bệnh sốt rét đƣợc khảo sát qua ảnh tồn cảnh từ Google Map, nhận thấy nét đặc trƣng điểm nhƣ chênh cao địa hình, gần nguồn nƣớc điều kiện nơi ở, tập tục canh tác ngƣời dân Đắk Nông Các điều kiện thuận lợi nơi sinh sôi, phát triển muỗi Anopheles - dịch bệnh sốt rét Qua điểm khảo sát giúp gia cố thêm sở để tin tƣởng kết ứng dụng nghiên cứu từ lựa chọn yếu tố ảnh hƣởng đến xây dựng mơ hình kết hợp viễn thám, GIS thuật toán tối ƣu BBO đánh giá nguy dịch bệnh sốt rét địa bàn tỉnh Đắk Nơng Từ tạo sở cho cơng tác quản lý Y tế dự phịng, cơng tác quản lý tài nguyên môi trƣờng địa bàn tỉnh 92 KẾT LUẬN Từ kết nghiên cứu ứng dụng viễn thám, hệ thống thông tin địa lý thuật toán tối ƣu đánh giá nguy sốt rét tỉnh Đắk Nơng, đƣa nhận định nhƣ sau: Phƣơng pháp ứng dụng viễn thám, hệ thống thông tin địa lý thuật toán tối ƣu (cụ thể mạng thần kinh nhân tạo ANN thuật toán tối ƣu BBO) để đánh giá nguy sốt rét đạt đƣợc mức độ tin cậy cao qua cách thức kiểm thử đánh giá tham số kết Phƣơng pháp ứng dụng giảm thiểu tối đa đánh giá chủ quan ngƣời so với phƣơng pháp truyền thống khác Kết đề tài khẳng định thêm mối quan hệ chặt chẽ yếu tố điều kiện tự nhiên, điều kiện kinh tế - xã hội khu vực ảnh hƣởng tới lƣu hành bệnh sốt rét, để từ có biện pháp dự báo, tuyên truyền, kết hợp biện pháp y tế dự phòng, biện pháp sinh học, quản lý tài ngun mơi trƣờng địa bàn tỉnh để phịng chống bệnh tối ƣu Các yếu tố sử dụng đƣa vào mơ hình nghiên cứu khai thác từ số liệu đƣợc thu thập phƣơng pháp thống kê - trung bình nên cịn hạn chế tính mùa vụ, tính thời điểm có liệu mang tính thời điểm nhƣng lại không đảm bảo xuyên suốt liệu Do để nâng cao độ xác kết mơ hình cần có liệu đƣợc cập nhật liên tục có tính để liệu đầu vào mơ hình mơ tả đƣợc xác tranh từ giới thực Kết đề tài giúp hỗ trợ cho công tác Y tế dự phòng, quản lý tài nguyên môi trƣờng, nghiên cứu chuyên sâu yếu tố ảnh hƣởng để từ có giải pháp tác động, can thiệp làm giảm số ca bị bệnh kiểm soát dịch bệnh tốt Định hƣớng nghiên cứu từ sau kết đề tài: Phát triển theo hƣớng nghiên cứu tối ƣu hóa mơ hình nhằm nâng cao mức độ tin cậy để tăng độ xác dự đốn; Hƣớng nghiên cứu từ yếu tố ảnh hƣởng tới phát sinh lan truyền dịch bệnh sốt rét để đƣa giải pháp giảm thiểu nguy cơ, phòng chống 93 sốt rét nhằm kiểm soát dịch bệnh đảm bảo sức khỏe cho cộng động, phát triển kinh tế - xã 94 hội TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Thơ Các (2005), "Chu trình xử lý tin để xây dựng đồ đánh giá phân loại tổng hợp", Đặc san khoa học công nghệ, tr 1-17 Lê Đình Cơng (1992), "Tình hình sốt rét Việt Nam chiến lƣợc phịng chống", Tạp chí Vệ sinh phịng dịch, tr 3-4 Lê Đình Cơng (1993), "Hội nghị Amsterdam chiến lƣợc PCSR tồn cầu nay", Thơng tin phòng chống bệnh sốt rét bệnh ký sinh trùng, tr 3-14 Lê Nguyên Bình cộng (1996), Áp dụng kỹ thuật chẩn đoán sốt rét mới, Para Sight-f thực địa, Thơng tin phịng chống bệnh sốt rét bệnh ký sinh trùng, Viện Sốt rét - Ký sinh trùng - Côn trùng Hà Nội Phạm Văn Cự cộng (2005), "Một số vấn đề ứng dụng công nghệ GIS vào Bình Thuận - Các nhu cầu thực tế, tiềm ứng dụng thách thức", Trung tâm Liên ngành Viễn thám GIS, Bộ Nông nghiệp Phát triển nơng thơn Nguyễn Đức Tuệ, Đào Chí Cƣờng (1999), "Ngành Địa hình Qn - Tiếp cận cơng nghệ đại, hồn thành nhiệm vụ tham mƣu địa hình cho hoạt động lực lƣợng vũ trang", Hội nghị Địa hình Qn tồn qn năm 1999 Nguyễn Đức Tuệ, Đào Chí Cƣờng (2005), "Về thành lập đồ trực ảnh mầu đa tỷ lệ", Tạp chí Địa chính, tr 39-43 Mia Lammens and William De Genst (1999), Phân tích tổ hợp liệu khơng gian thuộc tính”, Xây dựng lực phát triển bền vững, Đại học KHTN Viện Địa lý 95 Phạm Ngọc Giới (2003), Địa lý y tế Quân Tây Nguyên, chủ biên, Cục Quân y, Nhà xuất Quân đội nhân dân 10 Hoàng Hà (2014), Nghiên cứu thực trạng sốt rét đánh giá kết can thiệp phòng chống sốt rét số xã biên giới huyện Hướng Hóa, tỉnh Quảng Trị, Luận án Tiến sĩ y học, Huế 11 Nguyễn Đức Hảo (2010), "Xác định tỷ lệ mắc thực trạng sử dụng thuốc tự điều trị sốt rét cho ngƣời ngủ rẫy xã Đắk R Măng, huyện Đắk Glong, tỉnh Đắk Nông năm 2010", Y tế công cộng 12 Lê Thị Thu Hiền (2013), "Áp dụng số thực vật (NDVI) ảnh Landsat đánh giá hoang mạc hóa tỉnh Bình Thuận", Tạp chí Các khoa học Trái đất 35(4), tr 357-363 13 Tổng cục thống kê (2016), Niêm giám thống kê, Cục thống kê tỉnh Đắk Nông 14 Dƣơng Văn Khảm (2005), "Một số kiến thức Viễn thám GIS khí tƣợng thuỷ tài nguyên mơi trƣờng", Viện Khí tượng Thủy văn, Tổng cục Khí tượng Thủy văn 15 Phạm Quang Khánh (1988), "Báo cáo khoa học đất Tây Nguyên", Đề tài 0501, Chương trình điều tra Tây Nguyên 48C 16 Trần Minh (1999), Hệ thông tin địa lý - Phần sở, Xây dựng lực phát triển bền vững, Đại học KHTN Viện Địa lý 17 Nguyễn Quang Mỹ (2002), Tăng cường lực đào tạo Viễn thám GIS lĩnh vực môi trường sức khoẻ Việt Nam, Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội - Đại học Y khoa Hà Nội - Trung tâm Viễn thám CARTEL Canada 18 Nguyễn Văn Năm (1995), Một số biện pháp nhằm cải thiện tình hình bệnh sốt rét Bình Thuận (1993-1995), Trung tâm Sốt rét - Ung bƣớu Bình Thuận 96 19 Eddy Nierynck Nguyễn Đình Dƣơng, Phạm Ngọc Hồ, Luc Hens (1999), "Ứng dụng Viễn thám Hệ thông tin địa lý quy hoạch môi trƣờng", Báo cáo kết Đề án Xây dựng lực Phát triển bền vững 20 Viện Sốt rét-KST-CT Quy Nhơn (2008), "Đánh giá kết PCSR 20012008 Định hƣớng kế hoạch PCSR (2009-2013), khu vực miền Trung Tây Nguyên", Hội nghị PCSR khu vực miền Trung-Tây Nguyên 2008 21 Cổng thông tin điện tử tỉnh Đắk Nông Điều kiện tự nhiên xã hội, truy cập ngày, trang web http://www.daknong.gov.vn/dieu-kien-tu-nhien1 22 Cổng thông tin điện tử tỉnh Đắk Nông Tài nguyên thiên nhiên, truy cập ngày, trang web http://daknong.gov.vn/tai-nguyen-thien-nhien1 23 Sở Y Tế tỉnh Đắk Nông (2016), Phấn đấu đến năm 2030 loại trừ bệnh sốt rét toàn quốc, truy cập ngày, trang web http://syt.daknong.gov.vn/TinTuc/Pages/tin-hoat-dong.aspx? Source=/Tintuc/tintuc&Category=&ItemID=1169&Mode=1 24 Trang thông tin điện tử Sở Kế hoạch Đầu tƣ tỉnh Đắk Nông Điều kiện tự nhiên tỉnh Đắk Nông, truy cập ngày, trang web http://www.daknongdpi.gov.vn/Article.aspx?TabID=3&ArticleID=9 25 Bộ Y tế - Bộ Quốc phịng (2003), "Hƣớng dẫn cơng tác kết hợp Quân, Dân y phòng chống sốt rét", Thông tư liên tịch Bộ Y tế - Bộ Quốc phòng số 05/2003/TTLTBYT-BQP, ngày 29 tháng năm 2003 26 Cơng báo phủ (2007) số 193+194/01-3-2007/VBQPPL/QĐBTNMT/288 27 Hồ Đắc Thoàn (2018), Nghiên cứu số đặc điểm dịch tễ biện pháp phòng chống sốt rét cho người dân ngủ rẫy hai huyện tỉnh Khánh Hòa Gia Lai (2014-2017), Luận án Tiến sĩ Y tế công cộng, Hà Nội 28 Viện Chiến lƣợc phát triển - Bộ Kế hoạch Đầu tƣ (2008), "Quy hoạch tổng thể phát triển kinh tế - xã hội tỉnh Gia Lai đến 2020" 97 29 Nguyễn Đức Tuệ (2010), "Đánh giá điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội hệ thống thông tin địa lý phục vụ dự phòng bệnh sốt rét lãnh thổ tỉnh Gia Lai", Luận án tiến sĩ, Hà Nội 30 Lê Tiến Vƣơng (2006), Đề án xây dựng CSDL tích hợp Tài nguyên Môi trường, Bộ Tài nguyên Môi trƣờng Tiếng Anh 31 Mac Donald G (1956), Epidemiological basis of malaria control, Vol 15, Bull Org World Health Org 32 Emily Grover-Kopec (2005), An online operational rainfall-monitoring resource for epidemic malaria early warning systems in Africa, truy cập ngày, trang web http://www.malariajournal.com 33 IAMAT Vietnam General Health Risks: Malaria, truy cập ngày, trang web https://www.iamat.org/country/vietnam/risk/malaria 34 Quang-Thanh Bui, Quoc-Huy Nguyen, Van Manh Pham, Minh Hai Pham & Anh Tuan Tran (2018), "Understanding spatial variations of malaria in Vietnam using remotely sensed data integrated into GIS and machine learning classifiers", Geocarto International 35 Dan Simon (2009), "Biogeography-Based Optimization", IEEE TRANSACTIONS ON EVOLUTIONARY COMPUTATION 12(6) 98 ... - Nguy? ??n Hồng Phƣơng ỨNG DỤNG VIỄN THÁM, HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ VÀ CÁC THUẬT TOÁN TỐI ƢU TRONG ĐÁNH GIÁ NGUY CƠ SỐT RÉT TẠI TỈNH ĐẮK NÔNG Chuyên ngành: Mã số: QUẢN LÝ TÀI NGUY? ?N VÀ MÔI... dƣới góc độ ứng dụng khoa học địa lý Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám, hệ thống thơng tin địa lý thuật tốn tối ƣu nhằm đánh giá nguy sốt rét địa bàn tỉnh Đắk Nông Từ kết... Tây Nguy? ?n nói chung việc giảm thiểu nguy bệnh sốt rét Xuất phát từ thực tế nêu trên, học viên lựa chọn đề tài luận văn thạc sĩ:? ?Ứng dụng viễn thám, hệ thống thông tin địa lý thuật toán tối ưu đánh