Next-Generation Air Pollution Forecasting: Integrating AI, Spatiotemporal Dynamics, and Privacy-Ensuring Approaches for Urban Areas - CRISTAL-SPIRALS
Thèse Année : 2024

Next-Generation Air Pollution Forecasting: Integrating AI, Spatiotemporal Dynamics, and Privacy-Ensuring Approaches for Urban Areas

Prévision de la Pollution de l’Air de Nouvelle Génération: Intégration de l’IA, des Dynamiques Spatiotemporelles et des Approches Garantissant la Confidentialité pour les Zones Urbaines

Résumé

Air quality is a critical global issue, with air pollution posing serious environmental and public health risks, especially in urban areas where fine Particulate Matters (PMs) especially (PM2.5) is among the most harmful pollutants. Despite significant advancements in air quality monitoring and modeling, challenges such as data variability, computational demands, scalability, resolution constraints, and privacy concerns continue to limit the accuracy and effectiveness of current forecasting systems. This dissertation presents a novel approach to air pollution prediction in urban areas by integrating Artificial Intelligence (AI), spatiotemporal modeling, and privacy- preserving data collection techniques. The first major contribution of this research is the development of PMFORECAST, a temporal prediction model specifically designed to forecast PM2.5 levels. By utilizing advanced machine learning techniques and temporal attention mechanisms, PMFORECAST effectively captures temporal dependencies in pollutant concentrations, leading to highly accurate predictions for both short-term and long-term forecasting. Additionally, the model demonstrates significant multi-tasking capabilities. It achieves a notable prediction accuracy of 99.7% for 1-hour forecasts and 73.5% for 12-hour forecasts, representing substantial improvements over existing models in terms of precision and computational efficiency. Spatial and temporal data from underground sensor networks to predict PM2.5 concentrations across different geographic regions. The Graph Temporal LSTM (GT-LSTM) model employs Graph Convolutional Networks (GCNs) to capture the complex interactions between pollution sources and atmospheric conditions at ground level, while utilizing Long Short-Term Memorys (LSTMs), as described in the previous contribution, to model temporal dependencies. This approach provides a more refined understanding of pollutant dispersion over time and space. By operating with fixed zone resolutions corresponding to available data resources, the model ensures accurate and localized predictions. The third contribution is the design of a federated learning architecture called FEDAIRNET, aimed at enhancing air quality prediction using mobile sensor data while safeguarding user privacy. Traditional air quality monitoring stations are often constrained by limited spatial coverage and high costs, whereas mobile sensors offer a more flexible and granular data source. However, the collection of mobile sensor data introduces privacy concerns. FEDAIRNET addresses these challenges by distributing the learning process across multiple devices, ensuring that sensitive data remains on local devices while still contributing to global model updates. This decentralized approach not only improves prediction accuracy but also mitigates risks associated with centralized data collection, such as point-of-interest (PoI) attacks. The models presented in this thesis have been rigorously tested in real-world environments, demonstrating their potential to transform air pollution monitoring systems. The PMFORECAST model provides robust predictions of PM2.5 concentrations, making it valuable for public health interventions and environmental policies. The Spatiotemporal Model adds a critical layer of understanding by analyzing how pollutants behave across spatial and temporal dimensions, while the FEDAIRNET architecture ensures that privacy is protected as the use of mobile sensors becomes more prevalent. This research represents significant advancements in air pollution prediction by integrating AI-driven insights with privacy-preserving data collection techniques. Future work should focus on incorporating additional data sources, and refining hybrid models that combine temporal, spatial, and mobile sensing data. These innovations will contribute to more accurate, timely, and secure air pollution forecasting systems, ultimately helping to mitigate the harmful effects of air pollution on human health and the environment.
La qualité de l’air est un problème mondial, la pollution de l’air posant de sérieux risques environnementaux et pour la santé publique, surtout dans les zones urbaines où les particules fines (PM), notamment le Particulate Matter (PM)2.5, sont parmi les polluants les plus nocifs. Malgré des avancées dans la surveillance de la qualité de l’air, des défis comme la variabilité des données, les exigences computationnelles, la scalabilité, et les préoccupations en matière de confidentialité limitent l’efficacité des systèmes de prévision actuels. Cette thèse présente une approche novatrice pour prédire la pollution de l’air dans les zones urbaines en intégrant IA, modélisation spatiotemporelle, et techniques de collecte de données préservant la vie privée. La première contribution majeure est le développement de PMFORECAST, un modèle de prédiction temporelle conçu pour prévoir les niveaux de PM2.5. En utilisant des techniques avancées d’apprentissage automatique et des mécanismes d’attention temporelle, PMFORECAST capture efficacement les dépendances temporelles des polluants, conduisant à des prévisions précises pour le court et le long terme. De plus, le modèle démontre des capacités multitâches, atteignant une précision de 99.7% pour les prévisions à 1 heure et de 73.5% pour celles à 12 heures, représentant des améliorations par rapport aux modèles existants. Le modèle spatiotemporel intègre des données de réseaux de capteurs souterrains pour prédire les concentrations de PM2.5 à travers différentes régions. Le modèle Graph Temporal LSTM (GT-LSTM) utilise des réseaux de GCN pour capturer les interactions entre les sources de pollution et les conditions atmosphériques, tout en utilisant des LSTMs pour modéliser les dépendances temporelles. Cette approche permet une compréhension approfondie de la disper- sion des polluants dans le temps et l’espace. En utilisant des résolutions fixes correspondant aux ressources de données, le modèle assure des prévisions précises et localisées. La troisième contribution est la conception d’une architecture d’apprentissage fédéré appelée FEDAIRNET, visant à améliorer la prédiction de la qualité de l’air avec des données de capteurs mobiles tout en préservant la vie privée. Les stations de surveillance traditionnelles, limitées par une couverture spatiale et des coûts élevés, voient en revanche les capteurs mobiles une source de données flexible. Cependant, la collecte de données de capteurs mobiles soulève des préoccupations de confidentialité. FEDAIRNET distribue le processus d’apprentissage sur plusieurs appareils, garantissant que les données sensibles restent locales tout en contribuant aux mises à jour du modèle global. Cette approche décentralisée améliore non seulement la précision des prévisions, mais atténue aussi les risques liés à la collecte centralisée. Les modèles présentés dans cette thèse ont été testés dans des environnements réels, mon- trant leur potentiel à transformer les systèmes de surveillance de la pollution. Le modèle PMFORECAST fournit des prévisions robustes de PM2.5, essentielles pour les interventions en santé publique. Le modèle spatiotemporel enrichit notre compréhension en analysant le comportement des polluants, tandis que l’architecture FEDAIRNET protège la vie privée à mesure que l’utilisation de capteurs mobiles se généralise. Cette recherche représente une avancée significative dans la prédiction de la pollution de l’air en intégrant des perspectives basées sur l’IA avec des techniques de collecte de données préservant la vie privée. Les travaux futurs devraient se concentrer sur l’incorporation de sources de données supplémentaires et l’affinement de modèles hybrides combinant données temporelles, spatiales et de détection mobile, contribuant à des systèmes de prévision plus précis, opportuns et sécurisés, afin de réduire les effets nocifs de la pollution sur la santé humaine et l’environnement.
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Dates et versions

tel-04851216 , version 1 (20-12-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04851216 , version 1

Citer

Maryam Rahmani. Next-Generation Air Pollution Forecasting: Integrating AI, Spatiotemporal Dynamics, and Privacy-Ensuring Approaches for Urban Areas. Computer Science [cs]. Université de Lille, 2024. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04851216⟩
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