Incorporating Light Gradient Boosting Machine to land use regression model for estimating NO2 and PM2.5 levels in Kansai region, Japan

梯度升压 Boosting(机器学习) 回归 回归分析 环境科学 气象学 机器学习 统计 计算机科学 地理 数学 随机森林
作者
Tin Thongthammachart,Shin Araki,Hikari Shimadera,Tomohito Matsuo,Akira Kondo
出处
期刊:Environmental Modelling and Software [Elsevier BV]
卷期号:155: 105447-105447 被引量:24
标识
DOI:10.1016/j.envsoft.2022.105447
摘要

This study incorporates Light Gradient Boosting Machine (LightGBM) to a land use regression (LUR) model for estimating NO 2 and PM 2.5 levels. The predictions were compared with LUR-based machine learnings models of Extreme Gradient Boosting (XGBoost) and Random Forests (RF). Weather Research and Forecasting (WRF) model-simulated meteorological parameters, Community Multiscale Air Quality modeling system (CMAQ)-simulated NO 2 /PM 2.5 concentrations, land use variables, and population data were used as predictor variables. The model performances were evaluated through spatial and temporal cross-validations (CV). The CV results indicated that the LightGBM model was moderately superior in NO 2 and PM 2.5 predictions compared to the RF and XGBoost models. Moreover, the LightGBM model had high performance in NO 2 and PM 2.5 predictions at high concentrations, which is essential for risk assessment. Our findings demonstrate that LightGBM can greatly improve the accuracy of NO 2 and PM 2.5 estimates. • Light Gradient Boosting Machine algorithm was added to Land use regression model. • Daily average NO 2 and PM 2.5 levels are estimated. • Light Gradient Boosting Machine model processes faster than other models. • Light Gradient Boosting Machine model shows superior prediction accuracy. • The developed model has high predictability at high concentration.
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