生成式革命:地理空间基础模型在健康领域的变革、挑战与展望

《International Journal of Health Geographics》:The generative revolution: AI foundation models in geospatial health—applications, challenges and future research

【字体: 时间:2025年04月03日 来源:International Journal of Health Geographics 3

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  在地理空间健康研究中,数据和模型存在诸多局限。研究人员开展 “地理空间基础模型(FM)在数字健康中的应用、挑战与未来研究” 主题研究。结果显示,FM 有潜力但面临数据、模型等多方面挑战。这为推动健康地理研究发展、改善公共健康提供新方向。

  在科技飞速发展的当下,数字健康监测与疾病研究因智能手机普及、人工智能崛起和数据广泛可得而备受关注。过往研究虽利用多种数据资源来补充传统健康研究方法,但地理空间因素在健康研究中的整合却长期被忽视。常见研究方法,如时间序列分析和使用行政边界等离散地理空间单元,无法充分考量空间交互和关系的复杂性。数据局限、建模复杂、疾病特异性聚焦和以图像为中心的方法等问题,严重阻碍了该领域的发展。为解决这些问题,来自奥地利 IT:U 跨学科转型大学、哈佛大学、希腊国立技术大学、米兰理工大学和葡萄牙里斯本大学等机构的研究人员,开展了关于地理空间基础模型(FM)在数字健康领域应用、挑战与未来研究的相关工作,研究成果发表在《International Journal of Health Geographics》。
研究人员采用了多种关键技术方法。一方面,利用基础模型(FMs)强大的学习能力,对其进行微调以适应不同任务。如在研究中运用语言基础模型(LLMs)、地理空间和视觉基础模型以及多模态基础模型,这些模型在不同任务中展现出独特优势。另一方面,借助数据融合技术,将多种来源的地理空间和健康数据进行整合,如互联网搜索趋势、社交媒体活动数据、智能穿戴设备数据等,为研究提供更全面的信息。同时,还运用了生成式对抗网络(GAN)等技术进行数据增强,以解决数据稀缺和不平衡的问题。

研究结果主要包括以下几个方面:

  • 地理空间数字健康监测的变革:AI 模型显著提升了疾病预测和监测的准确性,如通过分析环境和社会决定因素预测登革热和 COVID-19 等疾病爆发;有效监测空气和水质量,并与健康结果建立关联,助力环境健康评估;利用 GenAI 方法整合多源数据,增强公共卫生风险预测能力;通过整合大语言模型(LLMs)进行疫情建模,提供本地化风险评估和公共卫生指导;借助 AI 驱动的模型优化医疗资源分配,提高对健康危机的应对能力;运用地理空间 AI 模型分析地理空间数据,识别和解决健康差异问题。
  • 基础模型在健康研究中的应用现状:语言基础模型(LLMs)在医疗和公共卫生领域应用广泛,但较少考虑地理空间因素;地理空间和视觉基础模型在遥感领域应用广泛,但目前多依赖图像数据,限制了其在其他空间数据处理和广泛健康应用中的能力;多模态基础模型虽在医学领域应用渐广,但在地理空间和健康地理方面的应用尚未得到充分开发。
  • 当前研究面临的挑战:地理空间多模态方面,缺乏能处理多种地理空间健康数据的模型;空间显式学习方面,现有机器学习技术在健康地理应用中较少考虑地理空间因素;数据可用性、生成和管理方面,获取大规模、高质量健康相关地理空间数据集面临诸多挑战,数据生成和可信度也是难题;可信度和可解释性方面,模型在健康数据应用中的可信度和可解释性有待提高;地理偏差方面,基础模型存在地理偏差,影响结果准确性和公平性;隐私和安全方面,地理空间基础模型存在隐私和安全风险;伦理和功能方面,基础模型的 “幻觉” 等问题影响其在医疗领域的应用。
  • 未来研究方向:在地理空间背景下,应加强数据和方法研究,开发时空合理性度量算法,利用多源数据进行健康监测和诊断,加强数据集成和分析方法研究,开发交互式可视化工具;发展地理空间增强基础模型,包括空间显式基础模型和问答系统、训练数据增强和可解释人工智能(XAI)、多模态地理空间基础模型;同时,注重模型可信度和可用性研究,探索新架构。

研究结论表明,生成式人工智能模型为地理空间健康和环境健康领域带来了革命性机遇。通过整合空间分析和人工智能驱动的见解,能够解决复杂的健康挑战,如疾病监测和资源分配。然而,其应用需要遵循忠实性、伦理原则、包容性和可持续性,以确保对社会产生积极影响。该研究为后续地理空间健康研究提供了重要方向,有助于开发更有效的健康监测系统,改善公共卫生结果,减轻新兴疾病的影响,构建更具弹性的健康系统。

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