Testování různých postupů pro korekci surových dat naměřených nízkonákladovými senzory kvality ovzduší v rámci měřící kampaně pro projekt TURBAN

Před samotným umístěním nízkonákladových senzorů na zvolená místa v rámci ulic Legerova, Sokolská, Rumunská a okolí byla tato zařízení podrobena počátečnímu srovnávacímu měření ve venkovních podmínkách, aby bylo možné detekovat případné poruchy a odchylky v měření.

Surová data naměřená nízkonákladovými senzory je vždy nutné podrobovat kontrole, protože kvalita měření je silně závislá na meteorologických podmínkách, případně na možných interferencích různých znečišťujících látek. Po eliminaci zjištěných závad u některých kusů bylo při srovnávacím měření zjištěno, že většina senzorů je schopna měřit obdobné trendy koncentrací, nicméně v absolutních hodnotách byly tyto koncentrace vůči sobě posunuté (viz aktualita). Byl zaznamenán také různý posun v datech vůči referenčnímu/kontrolnímu měření. Pokud se tyto odchylky neidentifikují a nezvolí se vhodná metoda ke zpětné korekci surových dat, může vést k zásadní dezinterpretaci naměřených hodnot úrovně znečištění na zájmových místech, kde se senzory posléze umísťují. Na obr. 1 je uveden příklad konkrétní situace, kdy v případě senzoru č. 11 (zelená barva) bychom se dle surových naměřených dat mohli domnívat, že zaznamenal nižší koncentraci NO2 než senzor č. 10 (fialová barva). Po zpětné korekci dat bylo ovšem naopak zjištěno, že senzor č. 11 se ve skutečnosti nacházel v oblasti s vyššími koncentracemi NO2 než senzor č. 10.
Obr. 1. Příklad srovnání surových naměřených dat (přerušovaná čára) s daty po korekci (plná čára) v případě senzorů č. 10 (fialová barva) a č. 11 (zelená barva) umístěných v rámci ulice Sokolská v Praze.


Po detekci odchylek v měření je zapotřebí zvolit vhodnou metodu korekce surových dat naměřených senzory. Jako první byla aplikována celkem často používaná metoda lineární regrese, která využívá lineárních vztahů mezi senzorem a referenčním měřením pro stanovení korekčního koeficientu. Ta se nicméně později ukázala jako nedostačující, neboť se s vývojem času a meteorologických změn ve venkovním ovzduší začaly projevovat v naměřených datech nelineární vztahy, kdy korekce ošetřovala s různou kvalitou nízké a vysoké koncentrace. To vedlo např. k výraznému podhodnocování reálně vysokých koncentrací, což je následně při instalaci monitoringu na více zatížených lokalitách nevyhovující.


Bylo tedy zapotřebí aplikovat komplexnější matematickou metodu, která by umožňovala práci i s nelineárními vztahy, a která by byla schopna zohlednit i jiné proměnné, které mají na kvalitu měření senzorů prokazatelný vliv. Nejlepších výsledků bylo nakonec dosaženo pomocí tzv. vícerozměrné adaptivní spline regrese, která umožňuje do korekčního vztahu zahrnout také efekt konkrétních meteorologických podmínek (teplota a relativní vlhkost vzduchu, rychlost větru, intenzita sl. záření a hodina dne). Tato metoda korekce mnohem efektivněji reagovala na nízké i na vyšší koncentrace, a data tudíž dále nepodhodnocovala.


Výsledky korekce jsou zobrazeny na obr. 2, který znázorňuje data za období počátečního srovnávacího měření, kdy byly senzory umístěny na stejně kontrolní lokalitě (referenční stanice Praha Libuš).
Krabicový graf znázorňuje střední hodnotu a celkový rozsah hodinových koncentrací NO2 naměřených jednotlivými senzory, kdy modře jsou znázorněna surová naměřená data a červeně zpětně korigovaná opravená data. Z grafu je patrné, že korekcí bylo u všech senzorů dosaženo vyrovnání jak středních hodnot, tak celého rozsahu měřených koncentrací.
Obr. 2. Krabicový graf znázorňující střední hodnoty a rozsahy 1hodinových koncentrací NO2 původně naměřených senzory (modrá barva) a zpětně korigovaných metodou MARS (červená barva).


Totéž je patrné i při srovnání průběhu hodinových koncentrací. Na obr. 3 jsou zobrazeny průměrné hodinové koncentrace NO2 tak, jak je původně naměřily senzory v období srovnávacího měření (senzory na stejné kontrolní lokalitě; zvýrazněno modrým rámečkem) a následně po přenosu na zájmové lokality v rámci ulic Legerova, Sokolská, Rumunská a okolí. Na obr. 4 jsou pak ve stejném období znázorněny zpětně korigované koncentrace NO2, které si v případě období, kdy senzory byly umístěny na jedné na kontrolní lokalitě (zvýrazněno modrým rámečkem), odpovídají navzájem mnohem lépe než v původních datech.
Obr. 3. Graf průběhu 1hodinových koncentrací NO2 (ppb) původně naměřených senzory s vyznačením období, kdy byly senzory na stejné lokalitě (rámeček) a následně po přenosu na zájmové lokality.


Obr. 4. Graf průběhu zpětně korigovaných 1hodinových koncentrací NO2 (ppb) s vyznačením období, kdy byly senzory na stejné lokalitě (rámeček) a následně po přenosu na zájmové lokality.