A machine learning calibration model using random forests to improve sensor performance for lower-cost air quality monitoring
Notice bibliographique
Résumé
Abstract. Low-cost sensing strategies hold the promise of denser air quality monitoring networks, which could significantly improve our understanding of personal air pollution exposure. Additionally, low-cost air quality sensors could be deployed to areas where limited monitoring exists. However, low-cost sensors are frequently sensitive to environmental conditions and pollutant cross-sensitivities, which have historically been poorly addressed by laboratory calibrations, limiting their utility for monitoring. In this study, we investigated different calibration models for the Real-time Affordable Multi-Pollutant (RAMP) sensor package, which measures CO, NO2, O3, and CO2. We explored three methods: (1) laboratory univariate linear regression, (2) empirical multiple linear regression, and (3) machine-learning-based calibration models using random forests (RF). Calibration models were developed for 16–19 RAMP monitors (varied by pollutant) using training and testing windows spanning August 2016 through February 2017 in Pittsburgh, PA, US. The random forest models matched (CO) or significantly outperformed (NO2, CO2, O3) the other calibration models, and their accuracy and precision were robust over time for testing windows of up to 16 weeks. Following calibration, average mean absolute error on the testing data set from the random forest models was 38 ppb for CO (14 % relative error), 10 ppm for CO2 (2 % relative error), 3.5 ppb for NO2 (29 % relative error), and 3.4 ppb for O3 (15 % relative error), and Pearson r versus the reference monitors exceeded 0.8 for most units. Model performance is explored in detail, including a quantification of model variable importance, accuracy across different concentration ranges, and performance in a range of monitoring contexts including the National Ambient Air Quality Standards (NAAQS) and the US EPA Air Sensors Guidebook recommendations of minimum data quality for personal exposure measurement. A key strength of the RF approach is that it accounts for pollutant cross-sensitivities. This highlights the importance of developing multipollutant sensor packages (as opposed to single-pollutant monitors); we determined this is especially critical for NO2 and CO2. The evaluation reveals that only the RF-calibrated sensors meet the US EPA Air Sensors Guidebook recommendations of minimum data quality for personal exposure measurement. We also demonstrate that the RF-model-calibrated sensors could detect differences in NO2 concentrations between a near-road site and a suburban site less than 1.5 km away. From this study, we conclude that combining RF models with carefully controlled state-of-the-art multipollutant sensor packages as in the RAMP monitors appears to be a very promising approach to address the poor performance that has plagued low-cost air quality sensors.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,005 | 0,008 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,002 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,002 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,002 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,002 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,001 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».