Spatial and spatiotemporal modelling of intra-urban ultrafine particles: A comparison of linear, nonlinear, regularized, and machine learning methods
Notice bibliographique
Résumé
Machine learning methods are proposed to improve the predictions of ambient air pollution, yet few studies have compared ultrafine particles (UFP) models across a broad range of statistical and machine learning approaches, and only one compared spatiotemporal models. Most reported marginal differences between methods. This limits our ability to draw conclusions about the best methods to model ambient UFPs. To compare the performance and predictions of statistical and machine learning methods used to model spatial and spatiotemporal ambient UFPs. Daily and annual models were developed from UFP measurements from a year-long mobile monitoring campaign in Quebec City, Canada, combined with 262 geospatial and six meteorological predictors. Various road segment lengths were considered (100/300/500 m) for UFP data aggregation. Four statistical methods included linear, non-linear, and regularized regressions, whereas eight machine learning regressions utilized tree-based, neural networks, support vector, and kernel ridge algorithms. Nested cross-validation was used for model training, hyperparameter tuning and performance evaluation. Mean annual UFP concentrations was 13,335 particles/cm 3 . Machine learning outperformed statistical methods in predicting UFPs. Tree-based methods performed best across temporal scales and segment lengths, with XGBoost producing the overall best performing models (annual R 2 = 0.78–0.86, RMSE = 2163–2169 particles/cm 3 ; daily R 2 = 0.47–0.48, RMSE = 8651–11,422 particles/cm 3 ). With 100 m segments, other annual models performed similarly well, but their prediction surfaces of annual mean UFP concentrations showed signs of overfitting. Spatial aggregation of monitoring data significantly impacted model performance. Longer segments yielded lower RMSE in all daily models and for annual statistical models, but not for annual machine learning models. The use of tree-based methods significantly improved spatiotemporal predictions of UFP concentrations, and to a lesser extent annual concentrations. Segment length and hyperparameter tuning had notable impacts on model performance and should be considered in future studies. • Spatiotemporal modelling of ambient ultrafine particles is challenging. • Eight machine learning and four statistical methods were compared. • Machine learning models were more accurate than statistical models. • XGBoost was the most effective and consistent method and annual and daily scales. • Aggregation of mobile monitoring data had a notable impact on model performance.
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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 | 0,002 | 0,004 |
| 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 ».