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부스팅 기반 기계학습기법을 이용한 지상 미세먼지 농도 산출
Estimation of Ground-level PM10 and PM2.5 Concentrations Using Boosting-based Machine Learning from Satellite and Numerical Weather Prediction Data 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.37 no.2, 2021년, pp.321 - 335  

박서희 (울산과학기술원 도시환경공학부) ,  김미애 (울산과학기술원 도시환경공학부) ,  임정호 (울산과학기술원 도시환경공학부)

초록
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미세먼지 (PM10) 및 초미세먼지 (PM2.5)는 인체에 흡수 가능하여 호흡기 질환 및 심장 질환과 같이 인체건강에 악영향을 미치며, 심각할 경우 조기 사망에 영향을 줄 수 있다. 전 세계적으로 현장관측기반의 모니터링을 수행하고 있지만 미 관측지역에 대한 대기질 분포의 공간적인 한계점이 존재하여 보다 광범위한 지역에 대한 지속적이고 정확한 모니터링이 필요한 상황이다. 위성기반 에어로졸 정보를 사용함으로써 이러한 현장 관측자료의 한계점을 극복할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 다양한 위성 및 모델자료를 활용하여 2019년도에 대해 한 시간 단위의 지상 PM10 및 PM2.5 농도를 추정하였다. GOCI 위성의 관측영역을 포함하는 동아시아 지역에 대해 트리 기반 앙상블 방법을 사용하는 Boosting 기법인 GBRTs (Gradient Boosted Regression Trees)와 LightGBM (Light Gradient Boosting Machine)을 활용하여 모델을 구축하였다. 또한, 기상변수 및 토지피복변수의 사용유무에 따른 모델의 성능을 비교하기 위해 두 가지 festure set으로 나누어 테스트하였다. 두 기법 모두 주요 변수인 AOD (Aerosol Optical Depth), SSA (Single Scattering Albedo), DEM (Digital Eelevation Model), DOY (Day of Year), HOD (Hour of Day)와 기상변수 및 토지피복변수를 함께 사용한 Feature set 1을 사용하였을 때 높은 정확도를 보였다. Feature set 1에 대해 GBRT 모델이 LightGBM에 비해서약 10%의 정확도 향상을 보였다. 가장 정확도가 높았던 기상 및 지표면 변수를 포함한 Feature set1을 사용한 GBRT기반 모델을 최종모델로 선정하였으며 (PM10: R2 = 0.82 nRMSE = 34.9%, PM2.5: R2 = 0.75 nRMSE = 35.6%), 계절별 및 연평균 PM10 및 PM2.5 농도에 대한 공간적인 분포를 확인해본 결과, 현장관측자료와 비슷한 공간 분포를 보였으며, 국가별 농도 분포와 계절에 따른 시계열 농도 패턴을 잘 모의하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Particulate matter (PM10 and PM2.5 with a diameter less than 10 and 2.5 ㎛, respectively) can be absorbed by the human body and adversely affect human health. Although most of the PM monitoring are based on ground-based observations, they are limited to point-based measurement sites, which lea...

주제어

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AI 본문요약
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이론/모형

  • LightGBM 모델은 Python 3 sikit-learn 환경에서 수행되었고 제공되는 패키지인 lightgbm의 LGBMRegressor 를 이용하여 수행하였다. Table 3는 본 연구에서 테스트 된 LightGBM의 하이퍼파라미터 조합을 보여준다.
  • 지상 PM 농도는 기상 등의 다양한 외부 요인에 의해서 영향을 받는다. 따라서 본 연구에서는 우리나라에 특화된 수치 모델인 RDAPS기반 기온(Air Temperature, Temp), 강수량(Precipitation, Precip), 상대습도(Relative Humidity, RH), 경계층고도(Planetary Boundary Layer Height, PBLH), 최대 풍속(Maximum wind speed, MaxWS) 을 입력 변수로 사용하였다. 시간에 따른 에어로졸 이류의 영향을 확인하기 위해서 1, 3, 5, 7일 동안 최대 풍속을 누적하여 만든 stack1_maxWS, stack3_maxWS, stack5_maxWS, stack7_maxWS을 추가적으로 고려해주었다.
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