Predicting short-term PM 2.5 concentrations at fine temporal resolutions using a multi-branch temporal graph convolutional neural network

卷积神经网络 期限(时间) 图形 计算机科学 时态数据库 数据挖掘 人工智能 模式识别(心理学) 理论计算机科学 物理 量子力学
作者
Qingfeng Guan,Jingyi Wang,Shuliang Ren,Huan Gao,Zhewei Liang,Junyi Wang,Yao Yao
出处
期刊:International Journal of Geographical Information Science [Taylor & Francis]
卷期号:38 (4): 778-801 被引量:9
标识
DOI:10.1080/13658816.2024.2310737
摘要

Predicting PM2.5 concentrations at an hourly temporal resolution in urban areas can provide key information for public health protection. The spatiotemporal dependency among monitoring stations and the spatiotemporal correlations between PM2.5 and relevant factors (e.g. meteorology and emissions) are both essential for such predictions. This study proposes a multi-branch temporal graph convolutional neural network (MB-TGCN) for short-term predictions of PM2.5 concentrations at city monitoring stations. Composed of a set of graph convolutional networks (GCNs) for spatial dependency modeling, a set of gated recurrent units (GRUs) for temporal dependency modeling, and a multi-branch structure for integrating PM2.5 and relevant factors, MB-TGCN aims to accurately predict PM2.5 concentrations by capturing both spatial and temporal relationships through a graph modeling approach. Experiments with an air quality dataset from 35 stations in Beijing showed that MB-TGCN achieved higher accuracy than several deep learning models for various prediction durations ranging from 1 to 12 h. The method described in this study can help enhance the prediction capability of PM2.5 and provide decision support for environment-aware activity planning.
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