Spatial differentiation of carbon emissions from energy consumption based on machine learning algorithm: A case study during 2015–2020 in Shaanxi, China

温室气体 贝叶斯概率 能源消耗 环境科学 碳纤维 算法 中国 回归分析 线性回归 回归 计算机科学 机器学习 地理 统计 人工智能 数学 工程类 生态学 电气工程 复合数 考古 生物
作者
Hongye Cao,Ling Han,Ming Liu,Liangzhi Li
出处
期刊:Journal of Environmental Sciences-china [Elsevier]
卷期号:149: 358-373 被引量:18
标识
DOI:10.1016/j.jes.2023.08.007
摘要

Carbon emissions resulting from energy consumption have become a pressing issue for governments worldwide. Accurate estimation of carbon emissions using satellite remote sensing data has become a crucial research problem. Previous studies relied on statistical regression models that failed to capture the complex nonlinear relationships between carbon emissions and characteristic variables. In this study, we propose a machine learning algorithm for carbon emissions, a Bayesian optimized XGboost regression model, using multi-year energy carbon emission data and nighttime lights (NTL) remote sensing data from Shaanxi Province, China. Our results demonstrate that the XGboost algorithm outperforms linear regression and four other machine learning models, with an R2 of 0.906 and RMSE of 5.687. We observe an annual increase in carbon emissions, with high-emission counties primarily concentrated in northern and central Shaanxi Province, displaying a shift from discrete, sporadic points to contiguous, extended spatial distribution. Spatial autocorrelation clustering reveals predominantly high-high and low-low clustering patterns, with economically developed counties showing high-emission clustering and economically relatively backward counties displaying low-emission clustering. Our findings show that the use of NTL data and the XGboost algorithm can estimate and predict carbon emissions more accurately and provide a complementary reference for satellite remote sensing image data to serve carbon emission monitoring and assessment. This research provides an important theoretical basis for formulating practical carbon emission reduction policies and contributes to the development of techniques for accurate carbon emission estimation using remote sensing data.

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