스태킹 앙상블 모델을 이용한 시간별 지상 오존 공간내삽 정확도 향상 (Improved estimation of hourly surface ozone concentrations using stacking ensemble-based spatial interpolation)

서지정보

· 발행기관 : 한국지리정보학회
· 수록지 정보 : 한국지리정보학회지 / 25권 / 3호 / 74 ~ 99페이지
· 저자명 : 김예진, 강은진, 조동진, 이시우, 임정호

초록

지상 오존은 차량 및 산업 현장에서 배출된 질소화합물(Nitrogen oxides; NOx)과 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds; VOCs)의 광화학 반응을 통해 생성되어 식생 및 인체에 악영향을 끼친다. 국내에서는 실시간 오존 모니터링을 수행하고 있지만 관측소 기반으로, 미관측 지역의 공간 분포 분석에 어려움이 있다. 본 연구에서는 스태킹 앙상블 기법을 활용하여 매시간 남한 지역의 지상 오존 농도를 1.5㎞의 공간해상도로 공간내삽하였고, 5-fold 교차검증을 수행하였다. 스태킹 앙상블의 베이스 모델로는 코크리깅(Cokriging), 다중 선형 회귀(Multi-Linear Regression; MLR), 랜덤 포레스트(Random Forest; RF), 서포트 벡터 회귀(Support Vector Regression; SVR)를 사용하였다. 각 모델의 정확도 비교 평가 결과, 스태킹 앙상블 모델이 연구기간 내 시간별 평균 R 및 RMSE이 0.76, 0.0065ppm으로 가장 높은 성능을 보여주었다. 스태킹 앙상블 모델의 지상 오존 농도 지도는 복잡한 지형 및 도시화 변수의 특징이 잘 드러나며 더 넓은 농도 범위를 보여주었다. 개발된 모델은 매시간 공간적으로 연속적인 공간 지도를 산출할 수 있을 뿐만 아니라 8시간 평균치 산출 및 시계열 분석에 있어서도 활용 가능성이 클 것으로 기대된다.

영어초록

Surface ozone is produced by photochemical reactions of nitrogen oxides(NOx) and volatile organic compounds(VOCs) emitted from vehicles and industrial sites, adversely affecting vegetation and the human body. In South Korea, ozone is monitored in real-time at stations(i.e., point measurements), but it is difficult to monitor and analyze its continuous spatial distribution. In this study, surface ozone concentrations were interpolated to have a spatial resolution of 1.5㎞ every hour using the stacking ensemble technique, followed by a 5-fold cross-validation. Base models for the stacking ensemble were cokriging, multi-linear regression(MLR), random forest(RF), and support vector regression(SVR), while MLR was used as the meta model, having all base model results as additional input variables. The results showed that the stacking ensemble model yielded the better performance than the individual base models, resulting in an averaged R of 0.76 and RMSE of 0.0065ppm during the study period of 2020. The surface ozone concentration distribution generated by the stacking ensemble model had a wider range with a spatial pattern similar with terrain and urbanization variables, compared to those by the base models. Not only should the proposed model be capable of producing the hourly spatial distribution of ozone, but it should also be highly applicable for calculating the daily maximum 8-hour ozone concentrations.

참고자료

· 없음