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Article de recherche

Apprentissage profond hybride avec interprétabilité basée sur l’attention pour la prévision PM2.5 dans les environnements urbains de Delhi

253 vues

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DOI :

10.3791/71004

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7 août 2026

Dans cet article

Résumé

CORTA (Correlation Optimized Ranked Transfer-Attention)-Net, un cadre hybride d’apprentissage profond pour la prévision PM₂.₅ à court terme à Delhi. Le modèle combine la sélection des caractéristiques CorrXGBoost-Rank, l’apprentissage par transfert avec des réseaux mémoires à long terme et une attention multi-têtes pour l’interprétation temporelle et au niveau des caractéristiques, et utilise la qualité de l’air, les données météorologiques et le comptage des incendies dérivées des satellites pour améliorer la prévision des PM2.5.

Résumé

La prévision à court terme des PM2,5 est complexe à Delhi car les concentrations de particules sont influencées par les émissions locales, les variations météorologiques, la stagnation saisonnière et la pollution épisodique liée aux incendies. Cette étude présente CORTA-Net, un cadre hybride d’apprentissage profond pour la prévision PM2.5 utilisant des données environnementales multi-sources de 2012 à 2024. Les données d’entrée comprennent des observations horaires de la qualité de l’air provenant des stations de surveillance du CPCB (Central Pollution Control Board) / DPCC (Delhi Pollution Control Committee), des variables météorologiques du Département météorologique indien (IMD), ainsi que des informations de décompte des incendies dérivées des satellites provenant des produits MODIS (Spectroradiomètre d’Imagerie à Résolution Modérée). Le cadre proposé applique d’abord la sélection de caractéristiques CorrXGBoost-Rank pour réduire les prédicteurs redondants et conserver les polluants importants, les variables météorologiques, temporelles et liées aux incendies. Les caractéristiques sélectionnées sont ensuite organisées sous forme de séquences à fenêtres glissantes supervisées et traitées à l’aide d’un encodeur LSTM basé sur l’apprentissage par transfert, suivi d’une couche d’attention multi-têtes. Le mécanisme d’attention fournit une interprétation au niveau des caractéristiques et des pas de temps de la prévision PM2.5 . CORTA-Net a été évalué à l’aide de partitions chronologiques d’entraînement, de tests et de validation, ainsi que de validation croisée. Comparé aux bases de la forêt aléatoire, XGBoost, LSTM et attentive-LSTM, le cadre proposé a réduit l’erreur de prédiction dans le cadre évalué de la station de surveillance de Delhi. La nouveauté de CORTA-Net réside dans la combinaison du criblage explicite des caractéristiques CorrXGBoost-Rank, de l’encodage temporel basé sur l’apprentissage par transfert, de l’intégration de l’activité de feu MODIS et de l’analyse comportementale de modèles d’attention basée sur plusieurs têtes dans un pipeline unique de prévision reproductible PM2.5 . Concrètement, ce cadre peut soutenir la prévision à court terme de la qualité de l’air urbaine dans des environnements de surveillance riches en données où des relevés de polluants, des observations météorologiques et des indicateurs d’activité incendiaire sont disponibles.

Introduction

Les particules fines de diamètre aérodynamique ≤ 2,5 μm (PM2,5) constituent une préoccupation importante pour la qualité de l’air à Delhi car elles sont affectées par les émissionslocales 1,2,3, les transportsrégionaux 4, la météorologiesaisonnière 5 et les événements épisodiques de combustion debiomasse 6. Pendant les périodes post-mousson ethivernales 7, la faible vitesse du vent8, les conditions de couche limit....

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Protocole

Méthodologie
Un modèle à fenêtre glissante supervisée a été construit pour prédire la valeur future de PM2,5 au temps t + 1 à partir des observations horaires précédentes. Les longueurs de fenêtres d’entrée candidates de 12, 24 et 48 pas horaires ont été évaluées en utilisant la performance de validation, et la configuration finale CORTA-Net utilisait une séquence d’entrée de 24 heures. L’interpolation linéaire était utilisée pour combler les valeurs manquantes ; les valeurs aberrantes ont été supprimées en utilisant la méthode IQR ; et toutes les variables étaient mises à l’échelle en utilisant la norma....

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Résultats

Sélection des caractéristiques et résultats de prévision
La procédure CorrXGBoost-Rank a sélectionné des PM₂.₅ en retard, la vitesse du vent, l’humidité, la température, les indicateurs temporels et les indicateurs de feu dérivés de MODIS comme prédicteurs significatifs de la qualité de l’air. Chacune de ces variables tient compte de la persistance de la pollution, de la dispersion due aux conditions météorologiques, des différences saisonnières des niveaux de polluti.......

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Discussion

CORTA-Net combine trois composants clés dans une séquence pour former une architecture hybride. CorrXGBoost-Rank : Un composant personnalisé de sélection de caractéristiques qui élimine les prédicteurs redondants avant l’étape de modélisationtemporelle 38. Encodeur LSTM : Utilise des couches LSTM empilées pour capturer les dépendances temporelles à court et long terme dans la séquence d’entréede 24 heures sélectionnée 39. Couche d’attention.......

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts.

Remerciements

Recherche de l’Université Princess Nourah bint Abdulrahman Projet de soutien numéro (PNURSP2026R300), Université Princess Nourah bint Abdulrahman, Riyad, Arabie Saoudite.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Police CalibriMicrosoft CorporationURL: https://learn.microsoft.com/fr-fr/typography/font-list/calibriUtilisée comme typographie de base demandée pour les diagrammes et les étiquettes des figures corrigées.
Scripts de génération de figures CORTA-NetScripts personnalisés pour ce projet CORTA-NetURL: https://github.com/saravagnamahasiva/CORTA-NetUtilisés pour régénérer des PDF de figures de qualité publication avec des étiquettes et un ordre corrigés.
CORTA_Net_High_Resolution_Images.zipArchive d'images de projet fournie par l'utilisateurNuméro de catalogue/RRID: Non applicable; archive source localeUtilisé comme ensemble d'images source/référence et pour déterminer l'identité des figures.
GitHubGitHub, Inc.URL: https://github.com/Utilisé comme hôte de dépôt prévu pour le code du projet et les fichiers de génération de figures.
MatplotlibMatplotlib Development TeamRRID: SCR_008624; URL: https://matplotlib.org/Utilisé pour redessiner les graphiques, diagrammes, étiquettes, marqueurs de panneaux et figures vectorielles PDF.
NumPyDéveloppeurs NumPyRRID: SCR_008633; URL: https://numpy.org/Utilisé pour les tableaux déterministes et les valeurs simulées dans les panneaux de figures régénérés.
OpenAI CodexOpenAIURL: https://openai.com/codexUtilisé pour aider à l'édition de code, à la régénération de figures, au packaging de PDF et à la vérification.
PillowContributeurs PillowURL: https://python-pillow.org/Utilisé pour inspecter, redimensionner, prévisualiser et valider les sorties d'images raster.
PopplerDéveloppeurs Poppler / freedesktop.orgURL: https://poppler.freedesktop.org/Utilisé pour rendre les PDF générés en aperçus PNG pour les contrôles de qualité visuelle.
pypdfContributeurs pypdfURL: https://pypdf.readthedocs.io/Utilisé pour vérifier que chaque PDF de figure final contient une page valide.
PythonPython Software FoundationRRID: SCR_008394; URL: https://www.python.org/Utilisé comme environnement de programmation pour la génération de figures et le traitement de PDF.
ReportLabReportLab Inc.URL: https://www.reportlab.com/Utilisé pour créer le tableau des matériaux/outils/logiciels obligatoires sous forme d'artefact PDF.
Windows PowerShellMicrosoft CorporationURL: https://learn.microsoft.com/fr-fr/powershell/Utilisé pour l'orchestration de fichiers, l'extraction d'archives et les commandes de packaging ZIP final.

Références

  1. AlShafeey M. Unraveling climate trends in the mediterranean: a hybrid machine learning and statistical approach. Model Earth Syst Environ. 2024;10:6255-6277.
  2. Li B, Qian Y. Weather prediction using CNN-LSTM for time series analysis: a case study on Delhi temperature data. arXiv:2409.09414. 2024.
  3. Bashardoost A, Mesgari MS, Karimi M. Quantifying uncertainty in the spatial prediction of PM2.5 using a deep learning algorithm. Ann GIS. 2025;31(4):679-712.
  4. Bi K, Xie L, Zhang H, et al. Accurate medium-range global weather forecasting with 3D neural networks. Nature. 2023;619:533-538.
  5. Xu C, Liu J, Han S, Duan X, Xiang L, Zhang T. FourCastLSTM: a preci....

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