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张羽民 (张羽民.) | 赵俊杰 (赵俊杰.) | 梅强 (梅强.) | 刘希亮 (刘希亮.) | 陈卓栋 (陈卓栋.) | 李建强 (李建强.) | 王少华 (王少华.) | 石宇良 (石宇良.) | 柴金川 (柴金川.) | 高雨瑶 (高雨瑶.) | 井小倩 (井小倩.) | 杨念迪 (杨念迪.) | 马小焱 (马小焱.)

摘要:

精确、细粒度空气质量分指数(Individual Air Quality Index,IAQI)预测是空气质量指数(Air Quality Index,AQI)的基础,对于空气质量防治和保护人类身心健康均具有重要意义.目前传统时序建模、循环神经网络(Recurrent Neural Network,RNN)、图卷积网络(Graph Convolutional Network,GCN)等方法难以有效融合时空因素和气象因素,稳定提取监测站点间动态边缘关系.本文提出了基于时空因果卷积网络(Spatial-Temporal Causal Convolution Networks,ST-CCN)的空气质量分指数预测模型ST-CCN-IAQI.首先采用空间注意力机制分析多源空气污染物和气象因素的空间效应;其次利用堆叠膨胀卷积和时间注意力机制提取特征矩阵的时间依赖性特征;最后采用贝叶斯调优方法对膨胀卷积的多种参数进行了调优.本文采用上海市空气监测站空气质量分指数(IAQI-PM2.5)数据展开实验,并采用一系列基线模型(AR、MA、ARMA、ANN、SVR、GRU、LSTM和ST-GCN)与ST-CCN-IAQI效果进行对比.实验结果显示:①在单测站测试中,ST-CCN-IAQI的RMSE和MAE值分别为9.873、7.469,相比基线模型平均下降了 24.95%和16.87%;R2值为0.917,相比基线平均提升了 5.69%;②对全部站点的IAQI-PM2.5、IAQI-PM10和IAQI-NO2的预测,证明了 ST-CCN-IAQI具有较强的泛化能力和稳定性.③采用Shapley分析方法论证了 IAQI-PM10、湿度、IAQI-NO2对IAQI-PM2.5的预测具有较大程度的影响;通过不同数据抽样条件下的Friedman检验,证明了ST-CCN-IAQI对比基线模型有显著的性能提升.ST-CCN-IAQI方法为细粒度IAQI精准预测提供了一种鲁棒可行的解决方案.

关键词:

多源影响因素 Shapley分析 贝叶斯优化 因果卷积网络 上海市 细粒度空气质量分指数预测 时空注意力 Friedman检验

作者机构:

  • [ 1 ] [刘希亮]北京工业大学
  • [ 2 ] [李建强]北京工业大学
  • [ 3 ] [高雨瑶]北京工业大学
  • [ 4 ] [陈卓栋]中国石油审计服务中心
  • [ 5 ] [井小倩]北京工业大学
  • [ 6 ] [梅强]集美大学
  • [ 7 ] [杨念迪]北京工业大学
  • [ 8 ] [赵俊杰]北京工业大学
  • [ 9 ] [石宇良]北京工业大学
  • [ 10 ] [马小焱]北京工业大学
  • [ 11 ] [张羽民]北京工业大学
  • [ 12 ] [柴金川]国家铁道试验中心
  • [ 13 ] [王少华]中国科学院

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来源 :

地球信息科学学报

ISSN: 1560-8999

年份: 2023

期: 1

卷: 25

页码: 115-130

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