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- Evaluation of the factors explaining the use of agricultural land: a machine learning and model-agnostic approachPublication . Viana, Cláudia M.; Santos, José Maurício; Freire, Dulce; Abrantes, Patrícia; Rocha, JorgeTo effectively plan and manage the use of agricultural land, it is crucial to identify and evaluate the multiple human and environmental factors that influence it. In this study, we propose a model framework to identify the factors potentially explaining the use of agricultural land for wheat, maize, and olive grove plantations at the regional level. By developing a machine-learning model coupled with a model-agnostic approach, we provide global and local interpretations of the most influential factors. We collected nearly 140 variables related to biophysical, bioclimatic, and agricultural socioeconomic conditions. Overall, the results indicated that biophysical and bioclimatic conditions were more influential than socioeconomic conditions. At the global interpretation level, the proposed model identified a strong contribution of conditions related to drainage density, slope, and soil type. In contrast, the local interpretation level indicated that socioeconomic conditions such as the degree of mechanisation could be influential in specific parcels of wheat. As demonstrated, the proposed analytical approach has the potential to serve as a decision-making tool instrument to better plan and control the use of agricultural land.
- Modelação da potencial distribuição de mosquitos vetores da dengue em Portugal Continental: modelos climáticos atuais e futurosPublication . Santos, José Maurício; Capinha, César; Rocha, JorgeA crescente globalização no transporte de pessoas e bens tem possibilitado uma dispersão súbita de espécies vetores de doenças que durante séculos se mantiveram circunscritas a determinadas regiões. Exemplo disso são os mosquitos Aedes albopictus e Aedes aegypti, os principais vetores de doenças como a dengue e febre amarela, que atualmente apresentam uma ampla distribuição geográfica por todos os continentes. Num contexto de eminente estabelecimento e expansão destes importantes vetores de doenças em Portugal, é fundamental possuir ferramentas que permitam antecipar a propagação espacial de surtos de infeções, com vista à identificação das melhores estratégias de contenção. Modelos espaciais que contemplem a dinâmico espácio-temporal do mosquito de acordo com condições bioclimáticas do território são particularmente úteis para este fim. Como tal, o objetivo do presente trabalho consiste em modelar e identificar a potencial distribuição espacial destes mosquitos em Portugal continental no contexto climático atual e em cenários climáticos futuros. Com recurso a modelos estatísticos e modelos em aprendizagem automática, iremos analisar relações entre dados de condições ambientais determinantes na distribuição destas espécies e registos das suas ocorrências. A partir das relações obtidas iremos projetar a potencial distribuição destes vetorial em Portugal continental a fim de produzir cartografia de adequabilidade ao seu estabelecimento. Os resultados obtidos com o desenvolvimento deste trabalho apresentam diversas potencialidades, sendo no presente contexto a avaliação de risco de infeção do vetor, através de processos de análise espacial, uma das aplicações mais úteis.
- Análise e modelação espácio-temporal do mosquito vetor do dengue na ilha da MadeiraPublication . Santos, José Maurício Faria; Rocha, JorgeAtualmente, a dengue é um dos principais problemas globais de saúde. O principal vetor deste vírus é o Aedes aegypti, um mosquito de marcado comportamento sinantrópico, que, para além da dengue, é também um dos principais vetores de outras importantes arboviroses como a febre amarela, chikungunya e Zika. Na ilha da Madeira esta espécie foi detetada em 2005, tendo sido responsável por um surto de dengue que afetou a região em 2012 e 2013. Devido à sua importância médica, são vários os estudos que se têm realizado acerca da espécie na ilha, incluindo alguns referentes à sua incidência espacial. Todavia, não existe ainda uma representação espacialmente contínua da sua distribuição potencial. Neste sentido procedeu-se à criação de um modelo de distribuição potencial deste vetor para a ilha da Madeira. Para o efeito, foi utilizado um conjunto de dados baseados em levantamentos de campo referentes à presença da espécie na ilha e diversas variáveis consideradas relevantes na sua distribuição (fatores climáticos, sociodemográficos e de uso e ocupação do solo). Os resultados obtidos indicam uma probabilidade de adequabilidade mais elevada em diversos territórios localizados ao longo da faixa sul da ilha, destacando-se entre eles diversos locais que integram o Funchal e os seus concelhos vizinhos. Além do estudo da distribuição potencial da espécie, considerando que a dinâmica sazonal do vetor está associada às variações das condições térmicas e de pluviosidade, levando assim a que existam períodos onde a atividade vetorial é mais elevada, é também parte integrante deste trabalho o estudo das dinâmicas espácio-temporais do Ae. aegypti. Para isso, foram igualmente utilizados os dados respeitantes aos levamentos de campo, embora desta feita tomando em consideração o número de indivíduos encontrados e a data de cada levantamento. A variação espácio-temporal do número de indivíduos observados foi associada a um conjunto de variáveis tidas como relevantes na variação da sazonalidade da espécie. Os resultados alcançados permitem identificar que as mudanças das condições meteorológicas são determinantes na variabilidade das abundâncias do mosquito, sendo a precipitação acumulada de 3 semanas e a temperatura acumulada de uma semana umas das condicionantes que mais determinam essa variação.
- Modelação da adequabilidade de habitat da cidade de Lisboa ao mosquito Aedes albopictusPublication . Carrilho, Daniel; Santos, José Maurício; Rocha, Jorge; Capinha, CésarAtualmente as doenças transmitidas por vetores estão entre as mais relevantes no contexto da saúde pública global. A dengue (DENV), uma doença de que o mosquito Aedes albopictus é vetor, é particularmente preocupante estimando-se que em 2013 tenham ocorrido entre 60 e 140 milhões de casos desta doença (Gould et al., 2017). O estudo da distribuição do Ae. albopictus em meio urbano é de extrema importância, sendo que nas regiões do mundo onde a espécie é não-nativa, a sua ocorrência está fortemente associada à presença humana (Ayllón et al., 2018). Deste modo a análise estatística de associações entre os dados de distribuição da espécie com variáveis descritoras do ambiente urbano a um elevado detalhe espacial apresenta um potencial de utilidade elevado. Esta utilidade será ainda maior se a análise abranger múltiplos contextos urbanos, por exemplo a totalidade de um continente, ao invés de uma única área urbana. Neste contexto, procedeu-se à análise dos padrões de distribuição de Ae. albopictus no conjunto das cidades europeias. Esta análise permitiu diferenciar fatores que têm um efeito à macro-escala (i.e., determinantes de variação na forma de distribuição entre diferentes áreas urbanas) e de fatores que atuam à escala local (i.e., fatores que determinam a distribuição da espécie no interior de todas as áreas urbanas). O resultado final foi o desenvolvimento de um modelo estatístico da distribuição do Ae. albopictus, identificando os fatores ecológicos e ambientais mais relevantes na explicação da distribuição das populações conhecidas. Tendo obtido uma estimativa estatística da importância de cada fator ambiental representa na distribuição do Ae. albopictus nas principais áreas urbanas europeias, passou-se à projeção da distribuição da espécie para o concelho de Lisboa. O concelho de Lisboa foi selecionado por 5 razões chave: i) no contexto português, Lisboa, para além de ser capital administrativa, tem um contexto único de centralidade; ii) todas as variáveis ambientais consideradas nos modelos estão disponíveis para este concelho; iii) esta área apresenta também uma elevada diversidade de tipos e ocupações de solo, tecido urbano, áreas urbanas verdes, áreas florestais e proximidade a água; iv) possui também uma densidade populacional elevada, principalmente no contexto nacional; v) finalmente a questão de ser uma área onde ainda anão se conhecerem registos de ocorrência da espécie. A modelação preditiva para a cidade de Lisboa permitiu aferir dois tipos de resultados. Primeiro verificámos que que as áreas que apresentam uma tipologia urbana mais vincada são as exibem valores mais elevados de adequabilidade para a espécie. Inversamente, a área de menor adequabilidade corresponde ao Parque de Monsanto, caracterizado por uma ocupação de solo dominantemente florestal. Já os resultados referentes ao risco, que entram também em consideração com a distribuição da população humana, destacam-se pelos seus valores elevados as freguesias de São Vicente, Penha de França, Arroios, Campo de Ourique, São Domingos de Benfica e o Norte da freguesia de Benfica. Por outro lado, as áreas de menor risco correspondem ao Parque de Monsanto e à área do Aeroporto, refletindo uma população residente reduzida ou uma baixa suscetibilidade à ocorrência do mosquito.
- The current and future distribution of the yellow fever mosquito (Aedes aegypti) on Madeira IslandPublication . Santos, José Maurício; Capinha, César; Rocha, Jorge; Sousa, Carla AlexandraThe Aedes aegypti mosquito is the main vector for several diseases of global importance, such as dengue and yellow fever. This species was first identified on Madeira Island in 2005, and between 2012 and 2013 was responsible for an outbreak of dengue that affected several thousand people. However, the potential distribution of the species on the island remains poorly investigated. Here we assess the suitability of current and future climatic conditions to the species on the island and complement this assessment with estimates of the suitability of land use and human settlement conditions. We used four modelling algorithms (boosted regression trees, generalized additive models, generalized linear models and random forest) and data on the distribution of the species worldwide and across the island. For both climatic and non-climatic factors, suitability estimates predicted the current distribution of the species with good accuracy (mean area under the Receiver Operating Characteristic curve = 0.88 ±0.06, mean true skill statistic = 0.72 ±0.1). Minimum temperature of coldest month was the most influential climatic predictor, while human population density, residential housing density and public spaces were the most influential predictors describing land use and human settlement conditions. Suitable areas under current climates are predicted to occur mainly in the warmer and densely inhabited coastal areas of the southern part of the island, where the species is already established. By mid-century (2041– 2060), the extent of climatically suitable areas is expected to increase, mainly towards higher altitudes and in the eastern part of the island. Our work shows that ongoing efforts to monitor and prevent the spread of Ae. aegypti on Madeira Island will have to increasingly consider the effects of climate change.
- Avaliação da performance preditiva de modelos de distribuição de espécies com dadosambientais à diferentes Escalas: o exemplo da espécie Anopheles atroparvus em Portugal continentalPublication . Santos, José Maurício; Rocha, JorgeOs modelos da distribuição de espécies (MDE) representam um procedimento comum para determinar a potencial amplitude geográfica da distribuição das espécies. Os resultados destes modelos podem ser aplicados em inúmeros problemas, com por exemplo na predição espacial de espécies invasoras, na avaliação do impacto das alterações climáticas na distribuição de espécies; e na modelação da distribuição de espécies que comportam risco para a saúde humana. Não obstante, aos progressos registados nesta temática de investigação, muitos dos estudos em MDE incindem na comparação entre diferentes métodos de calibração dos modelos e na avaliação do seu desempenho, existindo poucos trabalhos focados nos efeitos que a escala/resolução das variáveis ambientais (variáveis explicativas) poderá exercer no desempenho destes modelos. Deste modo, apresentamos neste trabalho uma avaliação das diferenças do desempenho preditivo de MDE concebidos através dados de variáveis ambientais a diferentes escalas. Para o efeito, utilizamos dados de observações da espécie Anophelos atroparvus (mosquito vetor da malária) em Portugal continental e um conjunto de variáveis explicativas representativas de condições ambientais adequadas à sua presença – variáveis climáticas: temperatura mínima do trimestre mais frio, temperatura máxima do trimestre mais quente, precipitação anual; e variáveis relativas a ocupação do solo: áreas agrícolas e áreas húmidas. Foram testados 4 modelos: i) modelo com ambos os conjuntos de variáveis com uma resolução de 1km; ii) modelo com ambos os conjuntos de variáveis na resolução de 100m; iii) modelo com variáveis climáticas na resolução de 100m e variáveis de ocupação do solo com 1km; e iv) modelo com variáveis climáticas na resolução de 1km e variáveis de ocupação do solo com 100m. Os resultados alcançados sugerem uma maior sensibilidade da performance preditiva dos modelos face a variação da resolução das variáveis explicativas referentes a ocupação do solo, enquanto a variação da resolução das variáveis climáticas apresenta pouca influencia no desempenho preditivo destes modelos.
- Modelação da distribuição do vetor da febre do Nilo Ocidental (culex pipiens) em Portugal continentalPublication . Rocha, Jorge; Almeida, Paulo; Santos, José Maurício; Capinha, César; Oliveira, SandraAs ameaças impostas devido ao aquecimento global fazem com que Portugal tenha um risco elevado para o desenvolvimento de novas doenças transmitidas por mosquitos. A espécie Culex pipiens quando infetada com o Vírus do Nilo Ocidental é de extrema importância pois a sua presença é generalizada a todo o território, fazendo isto com que haja uma necessidade de investigação entomológica. Assim, procedeu-se à criação de um modelo de adequabilidade da distribuição da espécie Culex pipiens que teve por base a relação entre condições ambientais e características físicas do território de Portugal Continental, dando assim origem quer à identificação de áreas de maior risco ao desenvolvimento do mosquito, quer, de eventuais áreas potenciais à transmissão de doenças das quais o mosquito é vetor. Este modelo foi construído com base no método da Regressão Logística, sendo este um método estatístico multivariado que permite determinar a relação entre a variável dependente (dados de presença da espécie) e as variáveis independentes (ambientais, considerados mais influentes na distribuição e caracterização do habitat deste vetor). De forma a avaliar a qualidade do modelo criado recorreu-se à taxa de sucesso. Por último, um dos objetivos deste artigo foi também o de testar de forma independente qual ou quais das variáveis de partida mais contribuíram para a espacialização deste fenómeno, embora estas sejam o reflexo de uma ampla pesquisa bibliográfica. Para esse efeito recorreu-se a técnicas de Inteligência Artificial (IA) - Redes Neuronais Artificiais (RNA), por estas conseguirem aprender “automaticamente” baseando-se unicamente no historial dos dados que lhes são fornecidos.
- It was not the perfect storm: the social history of the HIV-2 virus in Guinea-BissauPublication . Varanda, Jorge; Santos, José MaurícioThe perfect storm model that was elaborated for the HIV-1M pandemic has also been used to explain the emergence of HIV-2, a second human immunodeficiency virus-acquired immunodeficiency syndrome (HIV-AIDS) that became an epidemic in Guinea-Bissau, West Africa. The use of this model creates epidemiological generalizations, ecological oversimplifications and historical misunderstandings as its assumptions—an urban center with explosive population growth, a high level of commercial sex and a surge in STDs, a network of mechanical transport and country-wide, en masse mobile campaigns—are absent from the historical record. This model fails to explain how the HIV-2 epidemic actually came about. This is the first study to conduct an exhaustive examination of sociohistorical contextual developments and align them with environmental, virological and epidemiological data. The interdisciplinary dialogue indicates that the emergence of the HIV-2 epidemic piggybacked on local sociopolitical transformations. The war’s indirect effects on ecological relations, mobility and sociability were acute in rural areas and are a key to the HIV-2 epidemic. This setting had the natural host of the virus, the population numbers, the mobility trends and the use of technology on a scale needed to foster viral adaptation and amplification. The present analysis suggests new reflections on the processes of zoonotic spillovers and disease emergence.