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Erschienen in: Earth Science Informatics 1/2024

29.11.2023 | Research

Robust Transformer-based model for spatiotemporal PM\(_{2.5}\) prediction in California

verfasst von: Weitian Tong, Jordan Limperis, Felix Hamza-Lup, Yao Xu, Lixin Li

Erschienen in: Earth Science Informatics | Ausgabe 1/2024

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Abstract

Fine particulate matter (PM\(_{2.5}\)) poses a significant public health risk due to its association with respiratory and cardiovascular diseases. Given the limited availability of PM\(_{2.5}\) monitoring stations, there is a pressing need for reliable real-time forecasting models. This study introduces TSPPM25, a novel Transformer-based model designed for spatiotemporal prediction of PM\(_{2.5}\) levels. TSPPM25 leverages multiple data embedding techniques and various attention layers to effectively capture the intricate spatiotemporal relationships in multivariate data. The model’s performance is evaluated using a California Aerosol Optical Depth PM\(_{2.5}\) dataset and compared with several baseline models, including LSTM, Bi-LSTM, Linear Regression, and basic heuristics models. The results demonstrate that TSPPM25 exhibits superior spatiotemporal learning capabilities, robustness, and stability, outperforming other models across MSE, MAE, and SMAPE metrics. Furthermore, the study explores the underlying patterns in PM\(_{2.5}\) data through harmonic analysis, revealing that TSPPM25 performs exceptionally well even in complex scenarios characterized by mixed wave patterns. Conclusively, TSPPM25 emerges as a valuable tool for predicting PM\(_{2.5}\) levels demonstrating its efficacy in the California region, and thereby contributing significantly to the field of air quality forecasting.

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Literatur
Zurück zum Zitat EPA (2006) Air quality guidelines: global update 2005: particulate matter, ozone, nitrogen dioxide, and sulfur dioxide. World Health Organization EPA (2006) Air quality guidelines: global update 2005: particulate matter, ozone, nitrogen dioxide, and sulfur dioxide. World Health Organization
Zurück zum Zitat Stein EM, Shakarchi R (2011) Fourier analysis: an introduction, vol 1. Princeton University Press Stein EM, Shakarchi R (2011) Fourier analysis: an introduction, vol 1. Princeton University Press
Zurück zum Zitat Xi X, Wei Z, Xiaoguang R et al (2015) A comprehensive evaluation of air pollution prediction improvement by a machine learning method. In: 2015 IEEE international conference on service operations and logistics, and informatics (SOLI), IEEE, pp 176–181. https://doi.org/10.1109/SOLI.2015.7367615 Xi X, Wei Z, Xiaoguang R et al (2015) A comprehensive evaluation of air pollution prediction improvement by a machine learning method. In: 2015 IEEE international conference on service operations and logistics, and informatics (SOLI), IEEE, pp 176–181. https://​doi.​org/​10.​1109/​SOLI.​2015.​7367615
Metadaten
Titel
Robust Transformer-based model for spatiotemporal PM prediction in California
verfasst von
Weitian Tong
Jordan Limperis
Felix Hamza-Lup
Yao Xu
Lixin Li
Publikationsdatum
29.11.2023
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Erschienen in
Earth Science Informatics / Ausgabe 1/2024
Print ISSN: 1865-0473
Elektronische ISSN: 1865-0481
DOI
https://doi.org/10.1007/s12145-023-01138-w

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