基于机器学习利用低成本传感器数据构建城市近地面PM2.5浓度的高分辨率空间分布

PM2.5是当前影响中国城市空气质量的一种重要污染物,它对人体健康有不利影响,高时空间分辨率的PM2.5浓度分布是城市大气污染精细化防控和健康影响评估的重要基础.低成本传感器在中国城市空气质量监测领域得到越来越多的应用,但由于其数据质量不够高,其价值没有得到充分的挖掘.本研究以在长三角地区蚌埠市城区作为研究案例,首先基于国控站监测数据对低成本传感器观测数据进行校准.接着通过6种机器学习模型的预测性能的比较选取随机森林作为本研究的核心方法.然后利用随机森林方法结合土地利用类型、人口密度和通过WRF模式模拟得到的气象数据、监测数据等多源数据,构建了时间分辨率为1h、空间分辨率为0.005°(接近500 m)的近地面PM2.5浓度的时空分布.最后对几种方法的结果进行了比较和评估.反演得到的高分辨率PM2.5浓度的10倍交叉验证结果显示,空间R2=0.95,RMSE=9.32μg·m-3,时间R2=0.88,RMSE=9.24μg·m-3.结果表明,低成本传感器观测数据可以帮助人们构建具有更高精度的高时空分辨率的PM2.5浓度分布,使得低成本传感器数据的时空特征价值得到更好的利用,同时也可为低成本传感器更好地服务于空气质量精细化管理提供一种新的应用思路.