基于偏差感知空间建模的埃及伊蚊监测优先级地球观测制图：巴基斯坦费萨拉巴德地区案例研究

《Remote Sensing Applications: Society and Environment》：Earth Observation Mapping for Prioritizing Aedes aegypti Surveillance Using Bias-Aware Spatial Modeling: A Case Study in Faisalabad District, Pakistan

　　

摘要
埃及伊蚊是巴基斯坦已确立的登革热传播媒介，但在费萨拉巴德等快速城市化、资源有限的城市，监测工作仍然零星且空间分布不均。我们开发了一个基于地球观测的框架，以识别巴基斯坦费萨拉巴德区埃及伊蚊监测的优先区域。2024 年监测期间收集的地面确认的埃及伊蚊出现记录与遥感和人口相关预测因子相结合，以绘制全区相对栖息地适宜性图。为确保模型能够在未采样区域预测适宜性，我们使用空间块交叉验证比较了正则化逻辑回归、随机森林和梯度提升模型。虽然随机森林显示出略微更高的预测技能，但其对逻辑回归的改善很小；因此，选择了更简单且可解释性更强的逻辑回归模型。人口计数指数和代表地表水相关条件的修正归一化差值水指数是蚊子栖息地适宜性最一致的预测因子。最高的折外适宜性十分之一包含了 59.8% 的保留出现记录，相对于出现 - 背景基线实现了 5.98 倍富集，表明了检测的回顾性集中。合计适宜和高优先级监测区覆盖了 207.89 平方公里（占费萨拉巴德区的 3.51%），其中包括 51.98 平方公里（0.88%）的高优先级层级，并主要集中在费萨拉巴德市。然而，在外围乡（telsils）中应谨慎解读预测，因为那里的采样有限，且环境条件与训练数据不同。总体而言，该工作流程提供了一种可解释且实用的遥感方法，用于在数据有限的城市环境中优先安排登革热传播媒介监测。

引言
登革热是全球最广泛传播的节肢动物传播病毒感染，正在南亚和东南亚持续扩张，并在热带和亚热带中低收入国家造成沉重负担。主要的城市传播媒介是埃及伊蚊，这是一种家栖、容器繁殖的蚊子，其幼虫在房屋内及周围的小型人工持水特征中发育；白纹伊蚊在房屋周围和城乡结合部环境中起补充作用（Majeed et al., 2025; Zheng et al., 2025）。由于已获许可的疫苗和抗病毒药物仍然有限，传播媒介监测是预防的核心，特别是在快速城市化的城市中，间歇性供水、家庭储水习惯、无人管理的容器和排水不畅反复产生了传播媒介所需的条件（Lorenz et al., 2020; Majeed et al., 2025; Zheng et al., 2025）。巴基斯坦自 2011 年以来反复爆发疫情，旁遮普省（包括费萨拉巴德）反复受到影响，昆虫学研究报道在季风期间及之后房屋指数和布雷托指数高于世界卫生组织传播阈值（Majeed et al., 2025）。然而，监测工作不均且严重报告不足，这使得在生物学上站得住脚的传播媒介栖息地空间明确地图作为野外调查的补充（而非替代品）特别有价值（Zheng et al., 2025）。

地球观测（EO）数据提供了城市地区驱动容器繁殖蚊子栖息地的景观及邻里条件的持续、可重复的代理指标。修正归一化差值水指数（MNDWI）用中红外波段代替麦克菲尔特型归一化差值水指数（NDWI）的近红外波段，增强了建成背景下的开放水体和湿润表面特征。NDWI 已被用于在邻里尺度识别持水容器和靠近水体的情况（Chang et al., 2009）。来自陆地卫星的地表温度捕捉了与蚊子发育相关的热条件，并且在热带和南亚环境中已记录到一致的城市热岛特征。气候危险组红外降水站点数据（CHIRPS）产品提供了准全球日尺度至月尺度的降雨数据，广泛用于传播媒介 - 气候模型；Dynamic World 提供了近实时、10 米土地覆盖类别，能够在邻里尺度解析建成区和植被结构；WorldPop 衍生表面提供了基于人口普查细分和辅助协变量构建的高分辨率网格人口图层（Xu, 2005）。然而，EO 变量并不能直接解析家庭储水容器（Chang et al., 2009; Zheng et al., 2025），因此最好将其解读为刻画容器最可能出现位置的邻里尺度代理指标。像谷歌地球引擎这样的云计算平台使得为监测和公共卫生应用组装多传感器、多时相合成数据成为可能，即使是在本地计算基础设施有限的情况下也是如此（Gorelick et al., 2017）。

大量工作已应用出现 - 背景物种分布模型、正则化逻辑回归、随机森林和梯度提升树来研究蚊子栖息地适宜性。当使用均匀背景位置对聚类且存在努力偏差的出现记录进行随机记录级交叉验证评估时，所报告的性能可能会被夸大，因为均匀背景位置很容易与出现集合区分开来（Hijmans, 2012）。Phillips 等人（2009）正式提出，背景的选择往往与算法的选择同等重要，这促使设计了反映监测过程空间偏差的背景（Phillips et al., 2009）。Fourcade 等人（2014）表明，纠正空间采样偏差会实质性地改变最大熵（MaxEnt）预测，当偏差表面在背景中重现时，最强的纠正效果会出现（Fourcade et al., 2014）。

当记录空间聚类时，空间块交叉验证比随机划分产生更保守的准确性估计。性能指标也很重要：在没有高质量缺失信息的情况下，真技能统计量可能会产生误导，流行率归一化精确率 - 召回率曲线下面积（PR-AUC）在罕见事件、出现 - 背景评估中越来越受到青睐。可靠的预测还需要检查预测是否超出了校准数据所代表的环境条件。检查残差空间自相关同样重要，因为其存在表明模型未捕获相关空间模式，从而降低了结果推断的信心（Dormann et al., 2007; Mesgaran et al., 2014）。可重复性指南建议在比较候选算法时，需要透明的变量选择、多重共线性报告和明确陈述的决策规则（Feng et al., 2019）。

在巴基斯坦和南亚，登革热传播媒介研究已在旁遮普省、开伯尔 - 普什图省和信德省记录了容器栖息地、季节性伊蚊指数、气候关联和病例流行病学（Amani et al., 2020; Majeed et al., 2025）。在多次城市旁遮普省幼虫调查中，费萨拉巴德反复被确定为高感染区（Chang et al., 2009; Majeed et al., 2025）。地理空间登革热研究探讨了省级病例聚类（Khalique et al., 2020）、气候病例关联（Naqvi et al., 2019; Shabbir et al., 2020），以及在拉合尔对埃及伊蚊出现与温度、降雨和归一化差值植被指数（NDVI）的局部加权回归（Imran et al., 2021）。然而，该区域相对较少的研究联合评估了地面确认的埃及伊蚊出现与多源 EO 预测因子、偏差感知背景采样、嵌套空间块交叉验证、环境新颖性映射、对抽稀和背景定义的稳健性检查以及明确的残差空间诊断（Majeed et al., 2025）。

单一的适宜性表面不足以用于操作监测。一个站得住脚的传播媒介监测地图应该不仅披露相对适宜性最大的地方，还要披露性能是否空间转移、预测是否依赖于抽稀距离或背景定义、哪些预测因子效应在空间上稳定、环境外推发生在哪里，以及是否仍存在未解释的残差空间结构（Du et al., 2016; Lorenz et al., 2020）。联合报告这些诊断使输出结果与其能够支持的证据基础保持一致，并确定额外定向采样最有用的邻里区域（Lorenz et al., 2020; Zheng et al., 2025）。

现有的基于 EO 的蚊子适宜性研究结合了卫星衍生的环境预测因子与生态位或机器学习模型，以绘制埃及伊蚊活动和栖息地适宜性图（Andreo et al., 2021; Holeva-Eklund et al., 2022）。然而，当出现记录反映不均匀采样努力、背景样本不考虑这种偏差、空间结构化观测使用随机数据划分评估，或预测外推到校准数据不足以代表的环境条件时，操作解释可能会受损（Phillips et al., 2009; Roberts et al., 2017; Meyer and Pebesma, 2021）。本研究的科学新颖性不在于单个 EO 产品或建模算法，而在于这些方法学保障在地面信息驱动的城市传播媒介监测框架中的联合实施和评估。具体来说，该框架集成了空间抽稀、采样偏差加权背景选择及均匀背景敏感性分析、嵌套空间块交叉验证、预定义模型选择标准、空间块 Bootstrap 推断、抽稀距离敏感性分析，以及明确的预测变异性映射和环境新颖性映射。该设计将地面确认的埃及伊蚊出现转化为操作监测优先级，同时区分相对栖息地适宜性与登革热风险、蚊子丰度或绝对出现概率。它还确定了预测相对稳健的位置，以及环境新颖性限制模型支持推断信心的区域。

因此，本研究旨在：(1) 整合地面确认的埃及伊蚊出现与 EO 和人口预测因子，以表征环境关联并绘制费萨拉巴德区的相对栖息地适宜性；(2) 评估模型区分能力、空间泛化能力以及对替代背景采样和出现抽稀决策的稳健性；(3) 将模型输出转化为操作监测优先级类别，同时明确识别预测变异性及环境新颖性区域，在这些区域推断支持较少。所得框架旨在作为数据有限城市环境中野外监测的应用型、不确定性感知决策支持层，而非蚊子丰度、登革热发病率、传播风险或绝对出现概率的估计器。费萨拉巴德区作为地理边界案例研究呈现，用于评估所提出的分析工作流程。本研究不评估时间或地理可转移性。分析序列可以在其他环境中重建和测试，但其在他处的性能仍未知，任何操作应用都需要独立的本地监测数据、模型重新拟合和本地导出的阈值。

章节片段
研究区域
本研究在巴基斯坦旁遮普省费萨拉巴德区进行，包括费萨拉巴德市、费萨拉巴德萨达尔、查克朱姆拉、贾兰瓦拉、苏门德里和坦利安瓦拉乡。该区由一个密集定居的城市核心组成，周围环绕着城乡结合部发展和集约化管理的农业景观。这种城市到农村的梯度与埃及伊蚊生态相关，因为它捕捉了人口计数指数、不透水面和建成覆盖、植被、地表...

出现数据和预测因子筛选
2024 年监测数据集包含 617 条埃及伊蚊记录。去除精确坐标重复后剩下 577 个唯一位置。在最小分离距离为 250、500 和 1000 米的空间抽稀保留了 357、244 和 127 条出现记录，分别。500 米数据集用于主要模型校准，而 250 和 1000 米数据集保留用于敏感性分析。保留的出现记录集中在费萨拉巴德市及其周围，而不是均匀分布在...

讨论
高相对适宜性区域主要集中在费萨拉巴德市内，而在查克朱姆拉、贾兰瓦拉、苏门德里和坦利安瓦拉发生较小且更局部的适宜斑块。所选的正则化逻辑回归模型在预测适宜性最高的 10% 内捕获了 59.8% 的空间保留出现记录，相对于整体出现 - 背景基线实现了 5.98 倍富集。这表明了对... 的有用回顾性排名。

CRediT 作者贡献声明
Maryam Riasat: 写作 – 审阅与编辑，数据管理。Sania Shammas: 验证，数据管理。Muhammad Naeem: 写作 – 原稿，软件，概念化。Nawaz Haider Bashir: 写作 – 审阅与编辑，调查。Azhar Rafique: 写作 – 审阅与编辑。Huanhuan Chen: 写作 – 审阅与编辑，监督，项目管理。Tahir Farooq: 写作 – 审阅与编辑，形式分析。

未引用参考文献
Guillaumot et al., 2021; Leroy et al., 2018; Leyk et al., 2019; Li and Guo, 2021; Machault et al., 2014; Mushagalusa et al., 2024; Santika and Hutchinson, 2009; Stevens et al., 2015; Syfert et al., 2013.

伦理声明
所述工作尚未发表。该文章未在其他地方考虑出版。对私人场所的实地访问基于家庭同意，机构地点经相关当地当局许可后采样。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所述的工作。

数据可用性
所有分析代码、计算笔记本、软件环境规范、非敏感衍生数据集、补充表和网格模型输出均在 Zenodo 公开可用，网址为 https://doi.org/10.5281/zenodo.22722597。支持本文稿的归档版本位于 https://doi.org/10.5281/zenodo.22722598。精确的场所级出现坐标可在合理请求下从通讯作者处获取，受适用的机构及... 限制。

人类/动物研究声明
本研究未涉及对人类或脊椎动物的实验。实地组成部分包括在费萨拉巴德区可访问场所对埃及伊蚊幼虫和成虫进行地理参考监测。对私人场所的访问基于家庭许可，机构/公共场所经需要时相关当地当局许可后采样。

未收集任何个人、临床或可识别的人类数据。利益冲突声明：作者声明，他们没有已知的 competing financial interests 或个人关系可能对本文所报道的工作产生影响。致谢：作者感谢云南省高层次人才引进计划（"高端外国专家"项目）的支持。我们感谢曲靖师范学院创新研究团队计划的支持。本研究由云南与南亚东南亚国家动物来源抗血栓中药综合开发国际联合实验室（资助号：202503AP140025）以及云南省潘院士工作站提供资金资助。穆罕默德·纳伊姆｜萨妮娅·夏马斯｜玛丽亚姆·里亚萨特｜阿扎尔·拉菲克｜纳瓦兹·海德尔·巴希尔｜塔希尔·法鲁克｜陈珊珊。云南与南亚东南亚国家动物来源抗血栓中药综合开发国际联合实验室，曲靖师范学院，云南曲靖 655011，中华人民共和国。