Agent-based modelling and simulation of human mobility in the context of infectious disease spread: Development and application for the case of COVΙD-19 spread in Larnaca, Cyprus - Fayad, Philip (My University, 2026)
This dissertation investigates the role of geoinformatics in enhancing the understanding and management of epidemiological crises, using the COVID19 pandemic in Cyprus as a case study. The research integrates spatial analysis, cartographic visualization, and agent-based modelling to examine how human mobility and behavioral patterns influence disease transmission. A comprehensive geoinformatics framework was developed, including static and dynamic maps as well as an interactive Web-GIS platform, enabling the monitoring and visualization of the spatial and temporal evolution of COVID19. In parallel, empirical mobility data were collected through a large-scale questionnaire survey, providing detailed insights into the spatiotemporal behavior of Cypriot residents. Building on these data, a novel agent-based model (EPIMO-LCA) was designed to simulate the spread of the virus at the local level, incorporating realistic mobility patterns and demographic characteristics. The model was validated against real epidemiological data during the Delta and Omicron phases, demonstrating its ability to reproduce observed trends and assess the effectiveness of non-pharmaceutical interventions. The findings highlight the critical role of human behavior in shaping epidemic dynamics and demonstrate the value of localized, data-driven modelling approaches for supporting evidence-based public health decision-making.
Η παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνά τον ρόλο της Γεωπληροφορικής στην ενίσχυση της κατανόησης και διαχείρισης επιδημιολογικών κρίσεων, χρησιμοποιώντας ως μελέτη περίπτωσης την πανδημία COVID19 στην Κύπρο. Η έρευνα ενσωματώνει χωρική ανάλυση, χαρτογραφική οπτικοποίηση και προσομοίωση βασισμένη σε πράκτορες (Agent-Based Modelling – ABM), προκειμένου να εξετάσει τον τρόπο με τον οποίο η ανθρώπινη κινητικότητα και τα πρότυπα συμπεριφοράς επηρεάζουν τη μετάδοση της νόσου. Αναπτύχθηκε ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο γεωπληροφορικής, το οποίο περιλαμβάνει στατικούς και δυναμικούς χάρτες, καθώς και μια διαδραστική πλατφόρμα Web-GIS, επιτρέποντας την παρακολούθηση και οπτικοποίηση της χωροχρονικής εξέλιξης της COVID19. Παράλληλα, συλλέχθηκαν εμπειρικά δεδομένα κινητικότητας μέσω εξειδικευμένου ερωτηματολογίου, παρέχοντας λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με τη χωροχρονική συμπεριφορά των κατοίκων της Κύπρου. Με βάση τα δεδομένα αυτά, αναπτύχθηκε ένα καινοτόμο μοντέλο προσομοίωσης βασισμένο σε πράκτορες, το EPIMO-LCA, με στόχο την προσομοίωση της εξάπλωσης του ιού σε τοπικό επίπεδο, ενσωματώνοντας ρεαλιστικά πρότυπα κινητικότητας και δημογραφικά χαρακτηριστικά. Το μοντέλο επικυρώθηκε με πραγματικά επιδημιολογικά δεδομένα κατά τις περιόδους επικράτησης των παραλλαγών Delta και Omicron, αποδεικνύοντας την ικανότητά του να αναπαράγει τις παρατηρούμενες επιδημιολογικές τάσεις και να αξιολογεί την αποτελεσματικότητα μη φαρμακευτικών παρεμβάσεων. Τα ευρήματα αναδεικνύουν τον καθοριστικό ρόλο της ανθρώπινης συμπεριφοράς στη διαμόρφωση της επιδημιολογικής δυναμικής και επιβεβαιώνουν την αξία των τοπικά προσαρμοσμένων, βασισμένων σε δεδομένα προσεγγίσεων μοντελοποίησης για την υποστήριξη τεκμηριωμένης λήψης αποφάσεων στη δημόσια υγεία.
Keywords: Geoinformatics; Human Mobility; Agent-Based Modelling; COVID19; Spatial Epidemiology; Γεωπληροφορική; Ανθρώπινη Κινητικότητα; Agent-based modelling; COVID19; Χωρική Επιδημιολογία