CC BY
44
УДК 528.94+616.981.45
Н.А. Кол 1, Ю.А. Калуш 1, М.Г. Ростовцев 2, А. Ф. Чульдум 1, Е.А. Мамаш 1 1 Тувинский институт комплексного освоения природных ресурсов Сибирского отделения РАН, Кызыл
Федеральное государственное учреждение здравоохранения «Тувинская противочумная станция» Роспотребнадзора, Кызыл
ПРИМЕНЕНИЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ АНАЛИЗА ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ДИНАМИКИ КАРГИНСКОГО МЕЗООЧАГА ТУВИНСКОГО ПРИРОДНОГО ОЧАГА ЧУМЫ
KolN.A.1, Kalush J.A.1, RostovtsevM.G.2, Chuldum A.F.1, Mamash E.A.1 1 Tuvinian Institute for Exploration of Natural Resources SB RAS, Kyzyl
Tuvinian Anti-plague station, Kyzyl
APPLICATION OF GIS-TECHNOLOGIES IN KARGINSK MEZO-FOCUSSPATIAL DYNAMICS ANALYSIS OF TUVINIAN NATURAL PLAGUE FOCUS
On the basis of data collected in Tuvinian natural plague focus (southwest Tuva) by the employees of Tuvinian Anti-plague station since 1964 for 2006 in Tuvinian Institute for the Exploration of Natural Resources SB RAS the geoinformation system «Karginsk plague epizootic mezo-focus» has been created. Yearly layers of plague points and, received on their basis, polygonal layers of infection zones and zones of plague cultures detection are imposed on the topographical basis. Corresponding attributive tables of the database contain the following information: the name of the infected animal from which the plague has been picked out, the date and the way of material gathering. Also values of heights of plague points are calculated and brought in the database.
The geoinformation analysis of spatiotemporal dynamics of Karginsk plague mezo-focus has shown the distinct tendency to plague epizootic moving in the northwest direction -upstream the river Kargy and the presence of 4 years cycle of areas fluctuations of zones of plague cultures detection. Time dynamics of the infection zone can be approximately presented by the logistical model that enables to make the assumption of plague filling of ecological niche in the valley of the river Kargy.
На юго-западе Тувы в 1964 году был открыт природный очаг чумы [1]. В настоящее время его границы лежат в пределах Монгун-Тайгинского и Овюрского кожуунов (районов). На сегодняшний день в Тувинском природном очаге чумы зарегистрировано около 1,5 тысяч культур этой инфекции, выделенных сотрудниками Тувинской Противочумной станции в Тувинском природном очаге чумы за 42 года мониторинга (с 1964 по 2006 год.). Рассматриваемый очаг, вероятно, является северной частью Монгольского природного очага чумы и представляет непосредственную угрозу населению, проживающему на его территории [2]. Территория очага разделяется на шесть относительно самостоятельных мезоочагов. Для анализа нами выбран Каргинский мезоочаг, как наиболее репрезентативный. На его территории на настоящий момент выделено наибольшее количество культур чумы - 895 [3].
Одной из важнейших мер по предотвращению возможных эпидемий чумы является мониторинг за эпизоотийной территорией, проводимый силами Тувинской противочумной станции. Большим подспорьем для этого мониторинга является использование с 2006 года в ТИКОПР СО РАН геоинформационных технологий. Средства электронного картографирования на основе ГИС расширяют возможности использования географического метода для анализа распространения природных очагов, выявления закономерностей долговременного существования и циркуляции возбудителей, отображения динамики эпизоотических процессов [4].
Целью данного исследования было выявление пространственной динамики эпизоотий чумы в Каргинском мезоочаге, то есть отслеживание во времени изменений месторасположения эпизоотий чумы.
Составление географической информационной системы «Каргинский мезоочаг чумы» проводится на основе инструментальных пакетов программного обеспечения ArcInfo и ArcView GIS.
ГИС «Каргинский мезоочаг чумы» состоит из следующих электронных картографических слоев: топографической основы; ежегодных слоев точек обнаружения культур чумы с таблицами атрибутов; полигональных слоев зон заражения и обнаружения культур чумы, сгенерированных на основе слоев точек обнаружения культур чумы.
Для создания слоев топоосновы были использованы 4 листа карты масштаба 1: 100 000. На их основе были векторизованы линейные слои: «реки»; «озёра»; слой горизонталей с шагом в 40 м.
Атрибутивная таблица «Культуры чумы Каргинского мезоочага чумы» к слоям точек обнаружения чумы содержит информацию о материале, из которого выделена чума, дате и способе сбора материала, номере сектора, высоте местности над уровнем моря и названии урочища, в котором она обнаружена.
Для определения координат Z (высоты над уровнем моря) точек обнаружения культур чумы, были взяты значения координат X, Y, Z с шагом 3 секунды из полученных по сети Интернет файлов данных формата *.hgt и выбраны значения Z по значениям координат X, Y [5]. Таким образом, в атрибутивной таблице было сформировано поле, содержащее значения высоты над уровнем моря в метрах для каждой точки обнаружения культур чумы.
Для характеристики пространственной динамики напряженности эпизоотического процесса изучалось изменение географических координат точек выделения культуры чумы на местности за все годы с эпизоотиями.
Для определения тенденции направления перемещения эпизоотий чумы мы вычислили ежегодные географические координаты «центра тяжести» точек обнаружения культур чумы, как среднее значение координат за весь период с начала наблюдений, до текущего года.
Вычисления производились для временного промежутка 1964 г., 1964 - 1965 гг., 1964 - 1966 и так далее, полученные значения координат Xe и Ye: точек «центров тяжести» были нанесены на электронную карту мезоочага
и соединены линией, которая показывает на какое расстояние, и в каком направлении перемещался «центр тяжести» точек выделения культуры чумы год от года. На этой карте заметна четкая тенденция перемещения «центра тяжести» точек выделения культуры чумы на северо-запад вверх по течению реки Каргы. С 1967 года по 2006 год «центр тяжести» сместился на 12 657м со средней скоростью 324,5 м в год. Это показывает, что зона заражения продолжает расширяться и, в основном, в северо-западном направлении.
Более детальная и информативная для практического применения карта была получена способом нахождения точки называемой «центром тяжести» (center of gravity), требующим раздельного усреднения координат X и Y по всем точкам покрытия [6, 7, 8] отдельно для каждого года. Она позволяет зоологам и эпидемиологам специализированной организации ФГУЗ «Тувинская противочумная станция» планировать свою деятельность по поиску эпизоотии чумы, а также заблаговременно проводить противоэпидемические мероприятия в очаге.
Средняя ежегодная высота над уровнем моря точек обнаружения культур чумы вычислялась по формуле:
1 ^
Zc~N м Z ’ (1)
где Zc - средняя ежегодная высота точек обнаружения культур чумы, Z -высота над уровнем моря i-той точки обнаружения культур чумы, N -количество точек обнаружения культур чумы за период исследования.
В результате проведённых вычислений получен график изменения координаты Zc средней ежегодной высоты над уровнем моря точек обнаружения культур чумы с 1964 по 2006 годы. Показано, что, несмотря на наличие колебаний ее значений в отдельные годы, существует лишь незначительная тенденция перемещения средней ежегодной высоты культур чумы вверх по высоте местности. С 1964 года по 2006 год значения линейного тренда средней ежегодной высоты точек обнаружения чумы увеличились всего на 4 метра.
Минимальное значение высоты Zi точек обнаружения культур чумы равно 1 736 м над уровнем моря, максимальное - 2 478 м над уровнем моря. Все находки инфицированных животных и насекомых были сделаны в трех ландшафтных поясных зонах: в поясе сухих степей; в поясе горных степей и в субальпийском поясе. Наибольшая активность чумы наблюдается в поясе горных степей. Здесь значительную долю в фитоценозах составляют ксерофиты, в большинстве своем относящиеся к злакам и полыням. Преобладают фаунистические комплексы характерные для открытых пространств с горной спецификой. Из мелких млекопитающих широко распространены длиннохвостый суслик, слепушонка, в скальных останцах -горные полевки, по увлажненным местам - даурская пищуха.
Для исследования изменений размеров площади заражения чумой территории Каргинского мезоочага нами были сформированы полигональные
слои зон заражения чумой за временные периоды, аналогичные выше приведенным (1964, 1964 - 1965, 1964 -1966, и так далее вплоть до 1964 -2006) с помощью программы ArcInfo. При этом границами полигона стали линии, соединяющие крайние (наиболее удаленные от центра) точки выделения чумы за исследуемый период. Полученные слои, будучи наложенными на топографическую основу, показывают динамику изменения площади зоны заражения с 1964 по 2006 гг. Из графика численных изменений площади заражения следует, что за первые 7 лет изучения мезоочага, площадь зоны заражения резко возрастала, в последующем этот процесс начал замедляться, приобретая все более плавный характер, и только в 2002 году отмечается некоторый скачок. В целом, полученная кривая может быть достаточно близко аппроксимирована логистической кривой (модель Ферхюльста х = ах - Ъх2 ), что, позволяет выдвинуть
предположение о заполнении чумой экологической ниши в долине реки Каргы, то есть о проникновении чумного микроба за анализируемый период в большинство благоприятных для его обитания мест [9].
Само уравнение зависимости изменения площади зон заражения чумы от времени имеет следующий вид:
„ а • ехр( aft -1962 )) ,_ч
S =------5-----------—— + 225 , (2)
(с + Ъ • ехр( a(t -1962 ))
где S - площадь зоны заражения, a = 1, b = 0,004105, c = 1,8, t - год обследования мезоочага начиная с 1964 года.
В дальнейшем мы исследовали временную динамику изменения площадей зон обнаружения культур чумы. Для построения полигональных покрытий были использованы линии, соединяющие наиболее удаленные от центра точки выделения чумы. Эта процедура проводилась отдельно для каждого года обследования. Полученные значения площадей ежегодных зон обнаружения культур чумы представлены на рис. 1.
Рис. 1. Динамика площади зон обнаружения чумы в Каргинском мезоочаге
Тувинского природного очага чумы
Наибольшие площади зон обнаружения культур чумы наблюдались в 1966 г. - 313,8 км2 и 1967 г. - 258,4 км2. Наименьшие - в 1969 году 0,01 км2, в 1980 году - 0,14 км2, а в 1971, 1975, 1981, с 1986 по 1989, с 1995 по 1997 гг. площади зон обнаружения чумы были близки к нулю.
С 1964 по 1985 годы, на протяжении более 20 лет, выявлен четкий ритм флуктуаций значений ежегодной площади обнаружения чумы. Через каждые 3-4 года наблюдалось увеличение эпизоотийной площади. Чтобы исключить влияние человеческого фактора, был проведен корреляционный анализ, который показал слабую зависимость между указанным ритмом и интенсивностью полевых работ. Так коэффициент корреляции между периметром выявленной зоны обнаружения культур чумы и количеством рабочих дней затраченных на обследование мезоочага равен 0.23, а между площадью выявленной зоны обнаружения чумы и количеством рабочих дней затраченных на обследование мезоочага - 0.33.
С 1985 года данный ритм нарушился, что может быть обусловлено дератизацией, проводившейся в мезоочаге в это время [10] и резким снижением финансовых средств, выделяемых на мониторинг. В последнее время наблюдается тенденция к восстановлению этого ритма, о чем можно будет говорить с уверенностью в ближайшие несколько лет.
В результате геоинформационного анализа Каргинского мезоочага чумы было обнаружено, что:
1. Расширение зоны заражения животных чумой происходит в основном в северо-западном направлении, вверх по течению реки Каргы; естественных преград для дальнейшего распространения эпизоотии в данном направлении не существует. По вертикали зона заражения
ограничена высотами 1700 - 2500 метров, что связано с ландшафтными поясными зонами;
2. Временная динамика изменения площади заражения приблизительно описывается логистической кривой и можно выдвинуть предположение о заполнении чумой экологической ниши в долине реки Каргы;
3. Наличие флуктуаций площадей обнаружения культур чумы с 4 -летним циклом, позволяет предположить наличие некоторого фактора, являющегося благоприятным для развития эпизоотий чумы.
Работа поддержана грантом Российского Фонда Фундаментальных Исследований проект № 07-05-96812 р_енисей_а.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Летов Г.С. Северо-Западная окраина Монгольского очага чумы. // Доклады. -Иркутск: Противочум. ин-т. - 1966. - Вып. 7. - С. 38-43.
2. Природные очаги чумы Кавказа, Прикаспия, Средней Азии и Сибири / под ред. Онищенко Г.Г., Кутырева В.В. - М.: ОАО «Издательство Медицина», 2004. - 192 с.
3. Ростовцев М.Г., Хомушку Е.Ч., Калуш Ю.А., Чульдум А.Ф. Новый подход к оценке сезонной активности Каргинского участка очаговости Тувинского очага чумы // Бюллетень Восточно-Сибирского научного центра Сибирского отделения Российской Академии медицинских наук. - Иркутск, 2004. - Т. 2, №1 . - С. 157-160.
4. Хайтович А.Б., Коваленко И.С. Природные очаги инфекций на территории Украины // ArcReview современные геоинформационные технологии. - М., 2006. - № 4 [35]. - С. 11.
5. http://netgis.geo.uw.edu.pl/srtm/Europe - сайт с космическими снимками и картами в формате *.hgt.
6. ДеМерс, Майкл Н. Географические информационные системы. Основы.: Пер. с англ. - М.: Дата+, 1999. - 489 с.
7. McGrew, J.C., and C.B. Monroe. Statistical Problem Solving in Geography. Dubuque, IA: Wm. C. Brown Publishers. 1993.
8. Muehrcke, P.C., and J.O. Muehrcke. Map Use: Reading, Analysis, Interpretation. Madison, WI: J.P. Publications, 1992.
9. Бигон М., Харпер Дж., Таунсенд К. Экология. Особи, популяции и сообщества: В 2-х т. Т. 1.: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. - 667 с.
10. Немченко Л.С. Итоги разработки методов контроля численности носителей возбудителя чумы в Сибирских природных очагах // Бюллетень Восточно-Сибирского научного центра Сибирского отделения Российской Академии медицинских наук. -Иркутск, 2004. - Т. 2, № 1. - С. 147-148.
© Н.А. Кол, Ю.А. Калуш, М.Г. Ростовцев, А.Ф. Чульдум, Е.А. Мамаш, 2008
