Constrained Mixed-Effect Models with Ensemble Learning for Prediction of Nitrogen Oxides Concentrations at High Spatiotemporal Resolution

均方误差 环境科学 时间分辨率 统计 环境流行病学 期限(时间) 人口 数学 环境卫生 量子力学 医学 物理
作者
Lianfa Li,Fred Lurmann,Rima Habre,Robert Urman,Edward B. Rappaport,Beate Ritz,Jiu‐Chiuan Chen,Frank D. Gilliland,Jun Wu
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:51 (17): 9920-9929 被引量:31
标识
DOI:10.1021/acs.est.7b01864
摘要

Spatiotemporal models to estimate ambient exposures at high spatiotemporal resolutions are crucial in large-scale air pollution epidemiological studies that follow participants over extended periods. Previous models typically rely on central-site monitoring data and/or covered short periods, limiting their applications to long-term cohort studies. Here we developed a spatiotemporal model that can reliably predict nitrogen oxide concentrations with a high spatiotemporal resolution over a long time span (>20 years). Leveraging the spatially extensive highly clustered exposure data from short-term measurement campaigns across 1–2 years and long-term central site monitoring in 1992–2013, we developed an integrated mixed-effect model with uncertainty estimates. Our statistical model incorporated nonlinear and spatial effects to reduce bias. Identified important predictors included temporal basis predictors, traffic indicators, population density, and subcounty-level mean pollutant concentrations. Substantial spatial autocorrelation (11–13%) was observed between neighboring communities. Ensemble learning and constrained optimization were used to enhance reliability of estimation over a large metropolitan area and a long period. The ensemble predictions of biweekly concentrations resulted in an R2 of 0.85 (RMSE: 4.7 ppb) for NO2 and 0.86 (RMSE: 13.4 ppb) for NOx. Ensemble learning and constrained optimization generated stable time series, which notably improved the results compared with those from initial mixed-effects models.
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