Sistema de Web Mapping para Geologia Médica

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Sistema de Web Mapping para Geologia Médica Article · November 2015

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Sistema de Web Mapping para Geologia Médica Humberto Cereser Ibañez1, Marilea Vieira de Camargo Ibañez1, Hélio Pedrini2, Otavio Augusto Boni Licht3, Bonald Cavalcante de Figueiredo1,4,5. 1

Instituto de Pesquisa Pelé Pequeno Príncipe (IPPP) Instituto de Computação, Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) 3 Minerais do Paraná (MINEROPAR) 4 Faculdades Pequeno Príncipe (FPP) 5 Centro de Genética Molecular e Pesquisa do Câncer em Crianças (CEGEMPAC), UFPR. 2

Resumo - Este trabalho apresenta um sistema de Web Mapping para pesquisa em Geologia Médica, no qual, por meio de uma navegação em mapas interativos, epidemiologistas visualizam as distribuições espaciais de teores de elementos químicos em águas não tratadas (bacias hidrográficas) e dos coeficientes de morbi-mortalidade por doenças nos municípios. A sobreposição desses temas compõe um mapa onde se podem observar os relacionamentos espaciais entre essas feições. Isso permite a identificação dos municípios onde são necessários estudos analíticos para comprovação de hipóteses. O sistema é constituído por um conjunto de componentes de software livre e código aberto, o que representa economia, pois não há custo na aquisição do software e proporciona a capacidade de extensão, pois é possível acrescentar novas funcionalidades ao código aberto. O sistema é expansível por meio da interoperabilidade com serviços remotos de onde são obtidas imagens de satélite. O framework Ka-map emprega a tecnologia Asynchronous JavaScript and XML (AJAX), a qual faz com que a interação do usuário com o sistema Web seja fluida. O SGBD PostgreSQL e sua extensão PostGIS, o servidor de mapas UMN-MapServer, o servidor HTTP Apache e as linguagens PHP, JavaScript e HTML são aplicados neste sistema. Palavras-chave: Web Mapping, Geologia Médica, GeoMedicina, MapServer, PostGIS, Ka-map. Abstract - This paper describes a Web Mapping system for Medical Geology research, in which, by means of navigation in interactive maps, epidemiologists view the spatial distribution of the concentration of chemical elements in untreated water (basins) and of the mortality rate for diseases in municipalities. The overlapping of these themes composes a map where one can see the spatial relationships between such features. This allows the identification of municipalities where are needed analytical studies to prove hypotheses. The system consists of a set of free and open source software components. This represents an advantage since there is no cost of software licenses and provides the capacity for extension once new features can be added to the open source. The system is expandable through interoperability with remote services, which are obtained satellite images. The Ka-map framework employs the technology Asynchronous JavaScript and XML (AJAX), allowing a fluid user interaction with the Web system. The DBMS PostgreSQL and its extension PostGIS, the UMN-MapServer, the Apache HTTP server and the languages PHP, JavaScript and HTML are applied in this system. Key-words: Web Mapping, Medical Geology, GeoMedicina, MapServer, PostGIS, Ka-map. Introdução Nos últimos anos, com a popularização da World Wide Web, a academia e a indústria voltaram-se para o desenvolvimento dos sistemas de exploração geográfica na Web, onde mapas digitais são acessados por clientes conectados à rede com o uso de um simples navegador e os dados espaciais são fornecidos por servidores de mapas. Esta tecnologia, chamada de Web Mapping[1], possibilita que usuários interajam com os

dados espaciais e visualizem seus mapas conforme as suas necessidades, por meio de seleções e manipulações realizadas nos controles da interface Web. A Geologia Médica é definida como a ciência que estuda a influência de fatores geológicos ambientais relacionados à distribuição geográfica das doenças humanas e dos animais[2]. Os teores de elementos químicos presentes no meio ambiente podem alterar a saúde ao entrar no corpo humano por diversas vias de exposição (ingestão, inalação e absorção).

Os elementos são distribuídos de forma heterogênea na superfície terrestre, sendo suas fontes naturais ou antrópicas. O meio no qual estes elementos se encontram determinam a biodisponibilidade, a qual influencia diretamente a exposição e, portanto, o efeito e risco em relação à saúde. A biodisponibilidade é também influenciada por fatores como pH, temperatura e umidade. Os problemas de saúde podem surgir quando a concentração desses elementos é elevada (toxicidade) ou muito baixa (deficiência). A distribuição espacial heterogênea da incidência de câncer entre populações que vivem em diferentes regiões do mundo corrobora a hipótese da influência dos fatores ambientais sobre as neoplasias. Estudos mostram que incidências de algumas neoplasias tendem a se agrupar em certas regiões onde a prevalência apresentase notavelmente mais elevada. Um exemplo é o câncer pediátrico no córtex da glândula supra-renal, cuja incidência no Estado do Paraná é 12 vezes superior à incidência reportada nos Estados Unidos e Europa [3]. A visualização geográfica do teor de certos elementos químicos e de coeficientes de mortalidade humana, cuja causa básica foi atribuída uma neoplasia, provê uma exploração geográfica que auxilia a pesquisa das causas dessas doenças e o processo de tomada de decisão dos responsáveis pela saúde pública[4]. Metodologia Os dados geoquímicos introduzidos no sistema de Web Mapping são produzidos pela Minerais do Paraná - MINEROPAR, a qual realizou o levantamento geoquímico multielementar do Estado do Paraná, onde se constataram os teores de elementos químicos presentes em amostras de água e sedimentos de fundo de 697 microbacias hidrográficas[5]. A MINEROPAR forneceu esses dados em tabela georreferenciada pela malha regular Global Geochemical Reference Network1. Além dessa tabela, foram fornecidos ShapeFiles2 com a representação de isolinhas (polígonos) que indicam classes de concentração dos elementos químicos, em partes por milhão (ppm) ou miligramas por litro (mg/L), representadas em cores em uma 1

Células do Global Geochemical Reference Network.

http://www.mineropar.pr.gov.br/modules/conteudo/conteudo.p hp?conteudo=6 2

ESRI Shapefile Technical Description. http://www.esri.com/library/whitepapers/pdfs/shapefil e.pdf

escala cromática variando desde cores frias (cinza, preto e azul escuro) até cores quentes (amarelo, laranja e vermelho) representando a gradação de valores baixos até altos. Os limites municipais foram inseridos na base de dados do sistema a partir de ShapeFiles (polígonos) obtidos dos mapas interativos do IBGE3. Uma extensão do SGBD PostgreSQL, o PostGIS, traz em seu conjunto de ferramentas um conversor do formato ShapeFile para a base de dados espacial. O loader shp2pgsql foi empregado para importar os polígonos com os limites municipais para a base de dados. Os dados de mortalidade por doença foram obtidos em formato de arquivos textos separados por vírgula do sistema DATASUS4, e posteriormente, importados para a base de dados do sistema via terminal interativo psql. Os dados vetoriais são tratados por uma arquitetura em camadas conhecida como Free Open Source Software For Geospatial (FOSS4G)[6]. Nesse sistema, os componentes principais desta arquitetura são o MapServer, o PostGIS, o Apache e o Ka-map. O MapServer é o componente central que integra as interfaces de entrada e saída do sistema. Os ShapeFiles e base de dados PostGIS são lidos por meio de drivers especificados em seu arquivo de configuração, o MapFile5. Os percentis dos níveis de teores de elementos químicos e dos coeficientes de mortalidade são definidos nesse arquivo, onde também são definidos os formatos de saída como: as imagens digitais, o sistema de projeção cartográfica, a barra de escala e a legenda. O sistema baseia-se na arquitetura cliente-servidor, onde o cliente é o navegador (browser) do usuário e o servidor HTTP é o Apache. O cliente envia para o servidor requisições de conteúdos constantes em um formulário HTML, onde estão embutidos parâmetros que definem o conteúdo que o usuário deseja obter. O servidor trata esta requisição e retorna ao cliente o código HTML que é interpretado pelo navegador. O dinamismo do sistema é obtido quando o código HTML, ao invés de estar contido em um arquivo estático no servidor, é gerado com a execução de scripts ou 3

IBGE – Mapas Interativos. http://www.ibge.gov.br/mapas/ 4 Departamento de Informática do SUS. http://w3.datasus.gov.br/datasus/datasus.php 5 Mapfile Reference. http://mapserver.gis.umn.edu/docs/reference/mapfile

programas CGI, os quais geram respectivamente, o código HTML e as imagens, conforme a requisição feita pelo cliente. Neste sistema o dinamismo é obtido tanto no lado do servidor Web quanto no lado do cliente (navegador). No lado do servidor, uma extensão do PHP, o PHP MapScript6, cria o objeto mapa cujas entidades estão definidas no MapFile, o que permite uma interação dinâmica com o mesmo via linguagem PHP. No lado do cliente, a interação humano-computador se realiza com um conjunto de tecnologias denominado AJAX, do inglês Asynchronous Javascript and XML[7]. Esta tecnologia habilita o código JavaScript a fazer requisições a um servidor remoto, sem a necessidade de atualização de toda a página, mas somente dos elementos modificados na interação, evitando as interrupções e aumentando a eficiência do sistema. Diante de uma interface eficiente, o usuário concentra-se na lógica de suas ações, ocupando-se exclusivamente com suas tarefas, sem desviar a atenção para o que está sendo feito pela camada da aplicação. O baseline deste sistema é o framework Ka-map7 no qual está implementada a tecnologia AJAX. O Ka-map divide a imagem digital do mapa em retângulos (tiles) e controla o recurso de cache, tanto do lado do cliente como do lado do servidor. Ao requisitar o conteúdo da página principal, junto com o HTML é carregada no navegador a aplicação codificada em JavaScript. Dessa forma, diferente de uma aplicação Web tradicional, o usuário obtém respostas rápidas, pois é veiculado pela rede somente o conteúdo dinâmico da interação. Resultados O protótipo do sistema, denominado GeoMedicina, apresenta uma interface com o usuário no navegador Web, subdividida nas áreas: apresentação cartográfica, legendas e barra de ferramentas. Os controles da aplicação constituídos por check boxes, botões, listas de seleção e linguagem de manipulação direta possibilitam a interação do usuário com o sistema. Um exemplo de manipulação direta é o deslocamento do mapa feito por um clique sobre a figura seguido do arrasto do mouse. 6

PHP Mapscript dinamic loadable module. http://www.maptools.org/php_mapscript 7 Build AJAX-Based Web Maps Using ka-Map. http://www.xml.com/pub/a/2005/08/10/ka-map.html

Exemplos da interface com o usuário podem ser vistos nas figuras 1 e 2, onde são apresentadas as distribuições espaciais de teores de elemento químico e de coeficiente de mortalidade.

Figura 1 - Teores de elemento químico

Figura 2 - Coeficiente de mortalidade por 100 mil habitantes devido à neoplasia O intervalo de classe a que cada cor está associada pode ser visto na área da legenda onde o teor do elemento químico é indicado na unidade partes por milhão e o coeficiente da doença, número de casos por 100 mil habitantes. O relacionamento entre essas feições pode ser visualizado com a sobreposição das imagens e o controle de opacidade da camada superior, conforme apresentado na figura 3.

Figura 3 - Teores de elemento químico e mortalidade por neoplasia A expansão do sistema é obtida com a integração de imagens de satélite oriundas

de Web Map Services (WMS)8. A figura 4 é uma composição de imagem de satélite obtida do serviço de mapas do Jet Propulsion Laboratory (JPL) da NASA com uma camada transparente de teores de um elemento químico detectados em águas. A visualização dessa imagem permite a identificação da hidrografia e das áreas onde há maior ou menor concentração do elemento.

Figura 4 - Imagem de satélite sobreposta por imagem transparente com teor de elemento químico Um exemplo de extensão do sistema é o módulo desenvolvido para apresentar o resultado de uma pesquisa espacial em forma de tabela, cujo desenvolvimento foi possível porque o código é aberto. A tabela 1 apresenta um resultado de pesquisa espacial, onde o usuário seleciona alguns municípios ao delimitar um retângulo sobre os mesmos e obtém como resposta a tabela apresentada.

Tabela 1 – Resultado de pesquisa espacial

8

OGC Web Map Service Implementation Specification. http://www.opengeospatial.org/standards/wms

Discussão e Conclusões A principal vantagem do emprego de software com código fonte aberto é a capacidade de o mesmo ser aperfeiçoado e estendido conforme as necessidades dos usuários. Em um software fechado, a equipe é obrigada a se ajustar às limitações de sua funcionalidade. Outra vantagem relacionada ao emprego de softwares livres é a economia decorrente da isenção de pagamento de licenças. Nesta questão deve-se considerar todo o software de base que seria comprado como o Sistema Operacional, o Sistema Gerenciador de Bases de Dados e o Servidor HTTP. O uso da Internet simplifica a disseminação e facilita o acesso à informação. É possível visualizar os mapas através de um computador, em qualquer local onde haja uma conexão com a rede, sem a necessidade de instalação de aplicativos específicos. Com o uso de um simples navegador, o usuário consegue interagir com o sistema. Uma única instalação de um servidor permite o acesso a multiusuários. A visualização do relacionamento entre as variáveis do ambiente, a incidência ou a taxa de mortalidade por doenças auxilia a definir rapidamente um perfil de determinada área geográfica. Os resultados da pesquisa sobre o grau de relacionamento entre dois parâmetros poderiam ser apenas uma coincidência. Entretanto, pode ser que uma área com forte grau de correlação sugerida por este sistema, seja de fato a mesma conclusão obtida em estudos mais controlados, por exemplo, coorte e casocontrole. Estudos futuros envolvem a análise multivariada dos dados de ambiente e saúde, a qual poderá indicar possíveis correlações entre as variáveis. Acreditamos também que a aplicação de funções de um Sistema de Informações Geográficas como os indicadores de associação espacial de Moran (I) e Geray (C) [8] contribuirão para a análise de doenças raras. Esses indicadores são obtidos com a aplicação de funções sobre objetos geográficos pontuais. Para isso, uma transformação de área para ponto[9] será aplicada aos dados areais, considerando a população dos setores censitários. Como conclusão, o sistema apresentado, assim como a possibilidade de uma avaliação superficial sobre o relacionamento entre geoquímica e saúde aqui proposta não tem a pretensão de

apontar áreas geográficas que apresentam relação de causa e efeito entre fator ambiental e indicadores de mortalidade. Trata-se de um sistema que pode auxiliar na obtenção de informações rápidas para definir futuros passos da pesquisa sobre saúde vegetal, animal e humana. Agradecimentos À Minerais do Paraná - MINEROPAR, colaboradora no Projeto GeoMedicina por meio da exploração geoquímica. À Secretaria de Ciência e Tecnologia e Ensino Superior do Estado do Paraná, financiadora do Projeto GeoMedicina.

Referências [1]

Mitchell T. Web Sebastopol (CA), Associates; 2005.

Mapping Illustrated, EUA: O'Reilly &

[2]

Seinus O. Geologia Médica no Brasil: efeitos dos materiais e fatores geológicos na saúde humana, animal e meio ambiente. Textos do 2005 Workshop Internacional de Geologia Médica: p. 1-5.

[3] Pianovski MAD, Maluf EMCP, Carvalho DS, Ribeiro RC, Rodriguez-Galindo C, Boffetta P, Zancanella P, Figueiredo BC. Mortality rate of adrenocortical tumors in children under 15 years of age in Curitiba, Brazil. Pediatric Blood & Cancer Journal; sep 2005; v. 47, p. 56-60. [4] Ibañez HC. Geomedicina: sistema de visualização de fatores ambientais e doenças em mapas na Internet. [dissertação]. Curitiba (PR): Programa de Pós-Graduação em Informática, UFPR; 2007. [5] Licht OA. Atlas Geoquímico do Estado do Paraná. Curitiba (PR): Minerais do Paraná; 2001. [6] Jolma A, Ames DP, Horning N, Neteler M, Racicot A, Sutton T. Free and Open Source Geospatial Tools for Environmental Modeling and Management. Geotechnology Seminar. Idaho State University; 2007. [7] Crane D, Pascarello E, Darren J. Ajax em ação. Trad. Edson Furmankiewicz & Carlos Schafranski. São Paulo (SP): Pearson Prentice Hall; 2007. [8] Gets A, Ord J. The analysis of spatial association by use of distance statistics. Geospatial Analysis 24(3): 189-206; 1992. [9] Govaerts P. Geostatistical analysis of disease data: accounting for spatial support and population density in the isopleth mapping of cancer mortality risk using area-to-point Poisson kriging. Int J Health Geogr. Nov 30 2006; 5:52.

Contatos Bonald Cavalcante de Figueiredo, PhD pela McGill University. Atualmente é Coordenador e Professor do Programa de Mestrado e Doutorado em Biotecnologia Aplicada à Saúde da Criança e do Adolescente da Faculdades Pequeno Príncipe, diretor científico do Instituto de Pesquisa Pelé Pequeno Príncipe, professor adjunto do Departamento de Saúde Comunitária e Diretor do Centro de Genética Molecular e Pesquisa do Câncer em Crianças da Universidade Federal do Paraná e pesquisador do CNPq. R. Agostinho Leão Júnior, 400 – Alto da Glória 80030-110 – Curitiba, PR – Brasil Tel.: 55(41) 3029-3204 E-mail: [email protected] Hélio Pedrini, PhD em Engenharia Elétrica e de Computação pelo Rensselaer Polytechnic Institute. Atualmente é professor do Instituto de Computação da Universidade Estadual de Campinas. Av. Albert Einstein, 1251 – Cidade Universitária 13084-971 – Campinas, SP – Brasil Caixa-Postal: 6176 Tel.: (19) 3521-5876 E-mail: [email protected] Humberto Cereser Ibañez, MSc em Informática pela Universidade Federal do Paraná. Atualmente é pesquisador do Instituto de Pesquisa Pelé Pequeno Príncipe. Av. Silva Jardim, 1632 – Água Verde 80250-060 – Curitiba, PR – Brasil Tel.: (41) 3310-1035 E-mail: [email protected] Marilea Veira de Camargo Ibañez, Bacharel em Ciência da Computação pela Universidade Federal de Santa Catarina. Atualmente é técnica do Instituto de Pesquisa Pelé Pequeno Príncipe. Av. Silva Jardim, 1632 – Água Verde 80250-060 – Curitiba, PR – Brasil Tel.: (41) 3310-1035 E-mail: [email protected] Otavio Augusto Boni Licht, PhD em Geologia pela Universidade Federal do Paraná. Atualmente é consultor de prospecção geoquímica da Votorantim Metais. R. Professor Lindolfo Rocha Pombo, 292 – Jardim Social 82520-580 – Curitiba, PR – Brasil Tel.: (41) 3264-3526 E-mail: [email protected]

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