katherine bell

38
Iden%fica%on and Characteriza%on of Pollutant Hot Spots Integra%ng Probe Vehicle, Traffic and Land Use Data By Katherine E. Bell, P.E. Miguel A Figliozzi, Ph.D. FRIDAY SEMINAR January 17, 2014 1

Upload: trec-at-psu

Post on 02-Jul-2015

62 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Katherine bell

Iden%fica%on  and  Characteriza%on  of    Pollutant  Hot  Spots  

Integra%ng  Probe  Vehicle,  Traffic  and  Land  Use  Data  

By  Katherine  E.  Bell,  P.E.  Miguel  A  Figliozzi,  Ph.D.  

 FRIDAY  SEMINAR  January  17,  2014  

1

Page 2: Katherine bell

I.  Introduc@on  &  Background  

II.  Available  and  Collected  Data  

III.  Sta@s@cal  Analysis  

IV.  Conclusions  &  Future  Research  

2

OUTLINE  

Page 3: Katherine bell

3

BACKGROUND  

•  Motor  Vehicle  Emissions  –  CO2,  CO,  HC,  NOX,  MSATs    

•  Fine  Par@culate  MaJer  (PM2.5)  –  noncombus4on  &  combus4on  

o  Carcinogenic  o  Heart  problems  o  Respiratory  problems  

• Vola@le  Organic  Compounds  (VOC)  –  ozone  precursors,  carcinogens  

• HOT  SPOT:      Subsec@on  of  corridor  that  consistently  has  an  average  pollutant  concentra@on  above  the  85th  percen@le  when  compared  to  all  other  subsec@ons  on  the  corridor.  

Background                                        Data                                        Analysis                                        Conclusions  

Page 4: Katherine bell

4

BACKGROUND  

Background                                        Data                                        Analysis                                        Conclusions  

Page 5: Katherine bell

5

STUDY  AREA  –  SE  Powell  Boulevard  •  4.6  miles  –  SE  7th  Ave  to  I-­‐205    

•  Mul@-­‐modal  

•  2-­‐lanes  each  direc@on    

•  Variety  of  land  uses  

Background                                        Data                                        Analysis                                        Conclusions  

Page 6: Katherine bell

6

OBJECTIVES    

•  Develop  an  efficient  method  to  iden@fy  hot  spot  loca@ons  

o  BeJer  understand  which  variables  are  most  related  to  variability  in  pollutant  levels  

o  BeJer  understand  the  variability  of  exposure  levels  along  a  corridor  

 •  Long-­‐term:  BeJer  inform  personal  exposure  models  and  

health  analyses  

Background                                        Data                                        Analysis                                        Conclusions  

Page 7: Katherine bell

7

LITERATURE  REVIEW  

1)  Air  Quality  Health  and  Environmental  Concerns  

2)  Air  Quality  Modeling  and  Measurements    

3)  Powell  Boulevard  Research      

4)  Land  Use  Regression  

Background                                        Data                                        Analysis                                        Conclusions  

Page 8: Katherine bell

8

LITERATURE  REVIEW  

1)  Air  Quality  Health  and  Environmental  Concerns  

2)  Air  Quality  Modeling  and  Measurements    

3)  Powell  Boulevard  Research      

4)  Land  Use  Regression  

Background                                        Data                                        Analysis                                        Conclusions  

Sta%onary  Mobile  

Page 9: Katherine bell

9

LITERATURE  REVIEW  

1)  Air  Quality  Health  and  Environmental  Concerns  

2)  Air  Quality  Modeling  and  Measurements    

3)  Powell  Boulevard  Research      

4)  Land  Use  Regression  

Background                                        Data                                        Analysis                                        Conclusions  

Sta%onary  Mobile  

Tailpipe   In  Vehicle   Outside  Vehicle  

Page 10: Katherine bell

10

AVAILABLE  &  COLLECTED  DATA  

Traffic  Data   Land  Use  Data  

PM2.5  Concentra%ons  

Probe  Vehicle  Data  

Meteorology  

Background                                        Data                                        Analysis                                        Conclusions  

Page 11: Katherine bell

11

DATA  COLLECTION  

 Probe  Vehicle    

Background                                        Data                                        Analysis                                        Conclusions  

Page 12: Katherine bell

12

AVAILABLE  DATA  

Background                                        Data                                        Analysis                                        Conclusions  

Page 13: Katherine bell

Background                                        Data                                        Analysis                                        Conclusions  

MOVING  AVERAGE  –  All  Study  Hours  

Page 14: Katherine bell

MOVING  AVERAGE  –  All  Study  Hours  

HOT  SPOT  FREQUNCY  –  All  Study  Hours  

Page 15: Katherine bell

15

Mul%ple  Regression  –  ALL  DAY  Data  

•  Linear  Model:    Adjusted  R2  =  36%  •  Log-­‐Linear  Model:  Adjusted  R2  =  52%  

 

BASELINE    

Background                                        Data                                        Analysis                                        Conclusions  

Page 16: Katherine bell

16

•  Hot  Spot  Iden%fica%on  •  Consistency,  magnitude  and  distance  impacted  

•  AM  vs.  PM:  analyze  together  AND  separately  

•  Sta%s%cal  Analysis  •  Strongest  (+)  Rela5onships:  Rela4ve  Humidity,  Background  PM2.5  Concentra4ons,  Presence  of  “High  EmiJers”    

•  Strongest  (-­‐)  Rela5onships:  Temperature,  Wind  Speed,  Traffic  Speed    

•  Land  Use  variables  also  have  sta4s4cally  significant  rela4onships  with  PM2.5  concentra4ons  

•  Mul4ple  Regression  models  can  be  adjusted  depending  on  data  available      

•  Mobile  Outside  Vehicle  Measurements  +  Land  Use  Regression  •  Valuable  tool  to  beJer  understand  rela4onships  between  hot  spot  loca4ons  and  other  variables  

CONCLUSIONS  

PM2.5  

PM2.5  

Page 17: Katherine bell

17

FUTURE  RESEARCH    

•  Cold  Spots  –  study  poten4al  predictors  •  VOC  –  perform  regression  analysis    

•  Predictors  of  Hot  Spot  Frequency  •  Study  “outliers”  •  Other  variables  

o  Construc4on  o  Underpasses  o  Vehicle  Classifica4ons  (more  detailed)  

Background                                        Data                                        Analysis                                        Conclusions    

Page 18: Katherine bell

Oregon  Transporta@on  Research  and  Educa@on  Consor@um  (OTREC)  &  Na@onal  Ins@tute  for  Transporta@on  and  Communi@es  (NITC)  

FHWA  Eisenhower  Fellowship  Program  

Thesis  CommiJee:  Dr.  Miguel  Figliozzi,  Dr.  Robert  Ber@ni  and  Dr.  Chris  Monsere  

Alex  Bigazzi,  Adam  Moore  (PSU)  

 

 

ACKNOWLEDGEMENTS  

Page 19: Katherine bell

Katherine  Bell  [email protected]  

 Miguel  Figliozzi  

[email protected]    

Civil  and  Environmental  Engineering  Portland  State  University  

 

QUESTIONS  

Related  Masters  Thesis  will  be  available  at  hJp://www.its.pdx.edu/[email protected]  

Page 20: Katherine bell

20

Data  

Introduc@on                                        Literature  Review                                        Data                                        Analysis                                        Conclusions  

•  Pollutant  Concentra@on  –  PM2.5    and  VOC    •  Probe  Vehicle  Behavior  –  Loca4on,  Speed,  Standard  devia4on  of  speed,  

Percent  4me  accelera4ng,  Stopped  4me  

•  Traffic  –  Queue  length,  Queue  adjacent,  Volume,  Distance  to  major  intersec4on,  #  of  high  emiJers  

•  Meteorological  –  Wind  Speed/Direc4on,  Background  PM2.5  ,  Rela4ve  humidity,  Temperature  

 •  Zoning  –  Commercial,  Residen4al,  Industrial,  Open-­‐space  

•  Buildings  &  Businesses  –  Drive-­‐through  business  (i.e.,  McDonalds)  Gas  sta4on,  Building  height,  Building  footprints  

 •  Eleva@on  Changes  –  Flat,  Uphill,  Downhill,  High  point,  Low  point    

Page 21: Katherine bell

21

AVAILABLE  DATA  

•  Traffic  –  Wavetronix  &  SCATS  

•  Land  Use  –  PortlandMaps  &  RLIS  

•  Meteorological  –  DEQ  Air  Quality  Monitoring  Sta4on  

Background                                        Data                                        Analysis                                        Conclusions  

Page 22: Katherine bell

22

1)  Mann-­‐Whitney-­‐Wilcoxon  Test  

2)  Simple  Regression  Analysis  

3)  Mul@ple  Regression  Analysis  

STATISTICAL  ANALYSIS  

Skewed  distribu@on  

Background                                        Data                                        Analysis                                        Conclusions  

Page 23: Katherine bell

23 Introduc@on                                        Literature  Review                                        Data                                        Analysis                                        Conclusions  

Time-­‐Space-­‐Air  Quality  Diagram  

Page 24: Katherine bell
Page 25: Katherine bell
Page 26: Katherine bell

26

Simple  Regression  -­‐  Traffic  

Introduc@on                                        Literature  Review                                        Data                                        Analysis                                        Conclusions  

-­‐40%   -­‐30%   -­‐20%   -­‐10%   0%   10%   20%  

#  Of  High  EmiJers  

Distance  to  Major  Intx  

Traffic  Volume  

Queue  Adjacent  

Queue  Length  

Stopped  Time  

Stdev  Speed  

Mean  Speed  

Time  of  Day  

R-­‐square  and  correla%on  sign  

AM  Only  

PM  Only  

AM  &  PM  

Page 27: Katherine bell

-­‐40%   -­‐30%   -­‐20%   -­‐10%   0%   10%   20%   30%  

Queue  Adjacent  

#  Of  High  EmiJers  

Mean  Speed  

Time  of  Day  

Rela@ve  Humidity  

Background  PM2.5  

Wind  Direc@on  Cos  

Wind  Direc@on  Sin  

Wind  Speed  

Temperature  

R-­‐square  and  correla%on  sign  

AM  Only  

PM  Only  

AM  &  PM  

27

Simple  Regression    

Introduc@on                                        Literature  Review                                        Data                                        Analysis                                        Conclusions  

Meteo

rology  

Traffi

c  

Page 28: Katherine bell

-­‐40%   -­‐30%   -­‐20%   -­‐10%   0%   10%   20%  

Mean  Speed  

Temperature  

Mostly  Uphill  

Mostly  Flat  

Distance  to  Drive  Through  (i.e.,  McD's)  

Distance  to  Gas  Sta@on  

Distance  to  Gas  Sta@on  (Far  Side)  

Building  Footprint  

Building  Height  

Frontage  Profile  Height  

Commercial  

Residen@al  

Industrial  

R-­‐square  and  correla%on  sign  

AM  Only  

PM  Only  

AM  &  PM  

28

Simple  Regression    

Introduc@on                                        Literature  Review                                        Data                                        Analysis                                        Conclusions  

Build

ings  

Zoning  

Page 29: Katherine bell

29

Simple  Regression  -­‐  Traffic  

Introduc@on                                        Literature  Review                                        Data                                        Analysis                                        Conclusions  

-­‐40%   -­‐30%   -­‐20%   -­‐10%   0%   10%   20%  

#  Of  High  EmiJers  

Distance  to  Major  Intx  

Traffic  Volume  

Queue  Adjacent  

Queue  Length  

Stopped  Time  

Stdev  Speed  

Mean  Speed  

Time  of  Day  

R-­‐square  and  correla%on  sign  

AM  Only  

PM  Only  

AM  &  PM  

Page 30: Katherine bell

-­‐40%   -­‐30%   -­‐20%   -­‐10%   0%   10%   20%   30%  

Queue  Adjacent  

#  Of  High  EmiJers  

Mean  Speed  

Time  of  Day  

Rela@ve  Humidity  

Background  PM2.5  

Wind  Direc@on  Cos  

Wind  Direc@on  Sin  

Wind  Speed  

Temperature  

R-­‐square  and  correla%on  sign  

AM  Only  

PM  Only  

AM  &  PM  

30

Simple  Regression    

Introduc@on                                        Literature  Review                                        Data                                        Analysis                                        Conclusions  

Meteo

rology  

Traffi

c  

Page 31: Katherine bell

-­‐40%   -­‐30%   -­‐20%   -­‐10%   0%   10%   20%  

Mean  Speed  

Temperature  

Mostly  Uphill  

Mostly  Flat  

Distance  to  Drive  Through  (i.e.,  McD's)  

Distance  to  Gas  Sta@on  

Distance  to  Gas  Sta@on  (Far  Side)  

Building  Footprint  

Building  Height  

Frontage  Profile  Height  

Commercial  

Residen@al  

Industrial  

R-­‐square  and  correla%on  sign  

AM  Only  

PM  Only  

AM  &  PM  

31

Simple  Regression    

Introduc@on                                        Literature  Review                                        Data                                        Analysis                                        Conclusions  

Build

ings  

Zoning  

Page 32: Katherine bell

32

Mul%ple  Regression    -­‐  %  Contribu%on  to  Baseline                  All  Day  Model  -­‐  Example  

Introduc@on                                        Literature  Review                                        Data                                        Analysis                                        Conclusions  

Baseline   +7.2%  

+6.5%  

+3.5%  -­‐4.6%   -­‐3.1%  

Page 33: Katherine bell

•  R  Step()  func@on  –  uses  AIC  criteria    

•  p-­‐value  <  0.05  •  Variance  infla@on  factor  (VIF)  <  5    

•  Correla@ons  •  Log-­‐linear  Models  

33

Mul%ple  Regression  

Introduc@on                                        Literature  Review                                        Data                                        Analysis                                        Conclusions  

Page 34: Katherine bell

Correla%ons  

Page 35: Katherine bell
Page 36: Katherine bell
Page 37: Katherine bell

37

Simple  Regression  

Introduc@on                                        Literature  Review                                        Data                                        Analysis                                        Conclusions  

Page 38: Katherine bell

38

Simple  Regression  

Introduc@on                                        Literature  Review                                        Data                                        Analysis                                        Conclusions