A comparison of linear regression, regularization, and machine learning algorithms to develop Europe-wide spatial models of fine particles and nitrogen dioxide
Notice bibliographique
Résumé
Empirical spatial air pollution models have been applied extensively to assess exposure in epidemiological studies with increasingly sophisticated and complex statistical algorithms beyond ordinary linear regression. However, different algorithms have rarely been compared in terms of their predictive ability. This study compared 16 algorithms to predict annual average fine particle (PM 2.5 ) and nitrogen dioxide (NO 2 ) concentrations across Europe. The evaluated algorithms included linear stepwise regression, regularization techniques and machine learning methods. Air pollution models were developed based on the 2010 routine monitoring data from the AIRBASE dataset maintained by the European Environmental Agency (543 sites for PM 2.5 and 2399 sites for NO 2 ), using satellite observations, dispersion model estimates and land use variables as predictors. We compared the models by performing five-fold cross-validation (CV) and by external validation (EV) using annual average concentrations measured at 416 (PM 2.5 ) and 1396 sites (NO 2 ) from the ESCAPE study. We further assessed the correlations between predictions by each pair of algorithms at the ESCAPE sites. For PM 2.5 , the models performed similarly across algorithms with a mean CV R 2 of 0.59 and a mean EV R 2 of 0.53. Generalized boosted machine, random forest and bagging performed best (CV R 2 ~0.63; EV R 2 0.58–0.61), while backward stepwise linear regression, support vector regression and artificial neural network performed less well (CV R 2 0.48–0.57; EV R 2 0.39–0.46). Most of the PM 2.5 model predictions at ESCAPE sites were highly correlated (R 2 > 0.85, with the exception of predictions from the artificial neural network). For NO 2 , the models performed even more similarly across different algorithms, with CV R 2 s ranging from 0.57 to 0.62, and EV R 2 s ranging from 0.49 to 0.51. The predicted concentrations from all algorithms at ESCAPE sites were highly correlated (R 2 > 0.9). For both pollutants, biases were low for all models except the artificial neural network. Dispersion model estimates and satellite observations were two of the most important predictors for PM 2.5 models whilst dispersion model estimates and traffic variables were most important for NO 2 models in all algorithms that allow assessment of the importance of variables. Different statistical algorithms performed similarly when modelling spatial variation in annual average air pollution concentrations using a large number of training sites.
Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.
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 | 0,008 | 0,013 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
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 ».