شماره ركورد
23472
شماره راهنما
MAP2 110
عنوان
تلفيق تصاوير ماهوارهاي و مشاهدات زميني به منظور مدلسازي آلودگي هوا بر اساس شاخص 2.5PM با استفاده از رويكرد يادگيري عميق
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي نقشه برداري- سيستم هاي اطلاعات مكاني
دانشكده
مهندسي عمران و حمل و نقل
تاريخ دفاع
بهمن ماه 1402
صفحه شمار
93 ص.
استاد راهنما
جمشيد مالكي
كليدواژه فارسي
آلايندهي 2.5PM , مدلسازي مكاني-زماني آلودگي هوا , شبكههاي يادگيري عميق , شبكههاي كانولوشني , تاثير دادهها
چكيده فارسي
با توجه به پيشرفت سريع شهرنشيني و صنعتي شدن شهرها، آلودگي هوا به يكي از چالشها و مسائل اساسي زيستمحيطي در كشورها و شهرهاي بزرگ و صنعتي مبدل گشتهاست. آلايندههاي هوا از جمله عوامل اصلي ايجاد كننده بيماريها در انسان محسوب ميشوند. در اين ميان، ذرات معلق با قطر آيروديناميكي كمتر از 2.5 ميكرومتر (2.5PM)، كه به عنوان اصليترين عامل آلودگي در كشور ايران نيز شناخته شدهاند، از طريق استنشاق به دستگاه تنفسي نفوذ ميكنند و باعث بيماريهاي تنفسي و قلبي عروقي، اختلالات توليد مثل و سيستم عصبي مركزي و ابتلا به سرطان ميشوند. مدلسازي دقيق مكاني-زماني غلظت آلايندههاي هوا به ويژه براي مديريت كيفيت هوا و مورد ارزيابي قرار دادن آن، در مطالعات اپيدميولوژيك بسيار مهم است.
از يك سو، رشد سريع فناوريهاي محاسباتي و دسترسي به دادههاي مرتبط با كيفيت هوا اين امكان را فراهم كردهاست تا محققين مسائل پيچيده را به شكل مدل هاي يادگيري عميق براي ارزيابي غلظت آلايندههاي مختلف در هوا مورد بررسي قرار دهند . از سوي ديگر، اندازهگيري غلظت 2.5PM در محل به عنوان يك استاندارد طلايي مورد توجه قرار ميگيرد، اما اين فرايند زمان بر و پرهزينه است. علاوه بر اين، ايستگاههاي پايش كيفيت هوا ميتوانند در تحليل آلودگي هوا در نقاط واقع شده و اطراف آنها به كار گرفتهشوند، اما اين امكان براي پوشش كل منطقه وجود ندارد. بنابراين محصولات عمقنوري آيروسل (AOD) بدست آمده از طريق ماهوارهها و همچنين تصاوير ماهوارهاي از ساير آلايندههاي موثر بر غلظت 2.5PM ،اين پتانسيل را دارند كه همراه با اطلاعات ايستگاههاي پايش زميني، برآوردهايي از 2.5PM با قدرت تفكيك مكاني-زماني گستردهتر، ارائه كنند.
در گام اول اين پژوهش به آمادهسازي و تكميل دادههاي مورد استفاده پرداختهشده است. در گام دوم، روشهاي پيشبيني مكاني-زماني غلظت آلايندهي 2.5PM در بازههاي زماني مختلف براي پيشبيني و برآورد توزيع پيوسته ماهانه بر پايه شبكههاي يادگيري عميق نظير شبكه كانولوشني(CNN)، حافظه كوتاه مدت ماندگار (LSTM) و تركيب اين دو شبكه (ConvLSTM) و همچنين پرسپترون چند لايه (MLP) پيادهسازي و ارزيابي شدهاست. در ادامه، نتايج بدست آمده از مدلها در تاخير زماني و ماه پيشبيني يكسان با يكديگر مقايسه شدهاند. ساختار مدلهاي به كار رفته با توجه به دادههاي ورودي طراحي شده و به صورت آزمون و خطا و روش جستجوي شبكهاي بهينهسازي شده است. در پايان، تاثير دادههاي استفادهشده در اين پژوهش با استفاده از روش گراديان مورد بررسي قرار گرفتهاست. دادههاي مورد استفاده در اين پژوهش شامل غلظت ماهانه آلاينده 2.5PM، پارامترهاي هواشناسي، دادههاي سنجش از دوري و همچنين پارامترهاي نظير، جادهها، موقعيت نيروگاهها و تراكم جمعيت در بازهي زماني سال 2021 ميباشد. نتايج بررسيها بيانگر اين است كه، مدل ConvLSTM عملكرد بهتري در مقايسه با ديگر روشها داشته است. اين مدل همچنين قادر است 91 درصد (0.91=R2) از تغييرات غلظت 2.5PM براي پيشبيني زماني يك ماه آينده را تخمين زده و سطح آلودگي را پيشبيني كند. جمعبندي نتايج اين پژوهش نشان ميدهد كه استفاده همزمان از انواع دادههاي سنجش از دور و ايستگاه هاي زميني و بكارگيري شبكه عميق ConvLSTM ميتواند در آموزش ارتباطات مكاني و زماني موجود در سري زماني دادهها براي پيشبيني و مدلسازي آلودگيها موثر باشد.
كليدواژه لاتين
2.5PM pollution , spatiotemporal air pollution modeling , deep learning networks , convolutional networks , LSTM networks , data impact
عنوان لاتين
Integration of satellite imagery and ground-based observations for Air pollution modeling based on PM2.5 using deep learning approach
گروه آموزشي
مهندسي نقشه برداري
چكيده لاتين
Due to rapid urbanization and industrialization, air pollution has become one of the fundamental challenges in countries and large industrial cities. Air pollutants are considered major contributors to human diseases. Among them, particulate matter with an aerodynamic diameter less than 2.5 micrometers (2.5PM) is recognized as the primary pollutant in the country, which infiltrates the respiratory system through inhalation and leads to respiratory and cardiovascular diseases, reproductive disorders, and central nervous system and cancer. Accurate spatiotemporal modeling of air pollutant concentrations, especially for air quality management and exposure assessment in epidemiological studies, is crucial. On one hand, the rapid advancement of computational technologies and access to relevant air quality data has enabled researchers to propose complex models using deep learning for modeling various air pollutants. Deep learning models have proven their efficiency in modeling complex and dynamic problems such as air pollution in various studies . On the other hand, measuring the concentration of 2.5PM locally is considered the gold standard, but this process is time-consuming and expensive. Moreover, air quality monitoring stations can be used to analyze air pollution in their vicinity, but this does not cover the entire area. Therefore, retrieved Aerosol Optical Depth (AOD) products from satellites as well as satellite imagery of other pollutants affecting 2.5PM concentrations have the potential to complement ground-based monitoring stations by providing spatially and temporally resolved exposure estimates. In the first step of this research, data preparation and completion were addressed. In the second step, spatial-temporal prediction methods for the concentration of 2.5PM at different time intervals were implemented and evaluated based on deep learning networks such as Convolutional Neural Network (CNN), Long Short-Term Memory (LSTM), and a combination of these two networks (ConvLSTM), as well as Multi-Layer Perceptron (MLP). Subsequently, the results obtained from the models were compared for the same prediction time lag and month. The structure of the employed models was designed considering the input data, and an optimization search was conducted through trial and error. Finally, the impact of the data used in this research was examined using gradient analysis. The data used in this study includes monthly concentrations of 2.5PM, meteorological parameters, remote sensing data, as well as parameters such as roads, power plant locations, and population density in the year 2021. The results of the experiments indicate that the ConvLSTM model outperformed other examined methods. This model is also able to estimate 91% (R2=0.91) of the variations in 2.5PM concentration for one-month ahead prediction and predict the pollution level. The summary of the results of this research indicates that the simultaneous use of various data types and the ConvLSTM deep learning network can be effective in modeling and predicting pollution by training spatial and temporal relationships present in the time series data.
تعداد فصل ها
5
فهرست مطالب pdf
31337
نويسنده