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  4. 3M’AIR – Mobile citizen measurements and modelling: air quality and heat islands in Lyon (2018)

3M'AIR - Mobile citizen measurements and modelling: air quality and heat islands in Lyon (2018)

Scientific coordinator: Walid Bechkit (CITI) – walid.bechkit@insa-lyon.fr
Disciplines: Computer Science – Geography – Fluid Mechanics
Laboratories: CITI – EVS – LMFA
Partners: Lyon Métropole – City of Lyon – Atmo AURA – Météo France – Lyon Météo

Summary:

The study of air quality and heat islands in urban environments in the context of climate change constitute two complementary issues that lend themselves to a multidisciplinary approach involving the measurement and modelling of phenomena. In effect, local air quality is modified by urban heat islands, as they affect both the characteristics of the atmospheric boundary layer and air circulation at the local level. Incidentally, the effectiveness of action taken through local public planning policies to address these two issues is closely dependant on detailed knowledge of the air temperature and air quality at local levels, as the effects of climate policies and air quality policies can be contradictory. Today, this local knowledge is obtained using validated physico-chemical models, often combined with measurements obtained from fixed reference stations (weather stations and air quality stations). Despite the undeniable advantage of these stations, which provide precise temperature and air quality data, they are expensive, which means their numbers are limited to only a few dozen per region, hence the widespread spacing of the measurements collected.
In order to increase knowledge of the local climate, the 3M'Air project will explore the potential of participatory citizen measurements to improve local knowledge of air quality and temperature. The main aim of this project is therefore to equip observers with low- or medium-cost, mobile sensors and then ensure the effective, real-time feedback and sound analysis of the data collected to guarantee a better monitoring of these phenomena as closely as possible to citizens. To this end, a tailored multi-sensor measurement system will first be developed and tested in real conditions. Various technological barriers will be addressed, such as the impact of mobility on the quality of the measurements, effective data feedback, etc. At the same time, a citizen participation protocol will be established then citizen measurement campaigns carried out using tools developed in advance. Questions concerning mobilisation and citizen involvement will be studied carefully. Lastly, the third main aim of this project will be to design new, tailored, effective approaches in order to analyse participatory measurements and generate precise mappings of temperature and air quality. The main difficulty will lie in analysing data that is continuous in time and space to characterise highly dynamic phenomena.
The project therefore aims to develop shared expertise in multiscale and multiparametric mobile instrumentation, for use both in LabEx IMU research programmes and in the Lyon conurbation's spatial planning projects. A further, complementary interest lies in associating voluntary observers with the measurements, making them aware of issues concerning air quality and urban heat islands and of climate change, and involving them as 'climate sentries'.

Actualités / News : 

Anis FEKIH, du projet 3M’Air, soutiendra sa thèse (Low-cost Wireless Sensor Networks in Participatory Air Quality Monitoring) devant un jury le 4 Février 2022 à 14h dans le bâtiment Claude Chappe à l’INSA Lyon. Sa soutenance se déroulera en anglais et sera disponible en visioconférence. 

Les membres du jury sont les suivants : 

  • Nathalie MITTON, Directrice de recherche, INRIA Lille (Rapportrice)
  • Nicolas MONTAVONT, Professeur des universités, IMT Atlantique (Rapporteur)
  • Alexandre GUITTON, Professeur des universités, Université Clermont Auvergne (Examinateur)
  • Nathalie REDON, Maître de conférences, IMT Nord Europe (Examinatrice)
  • Hervé RIVANO, Professeur des universités, INSA-Lyon (Directeur de thèse)
  • Walid BECHKIT, Maître de conférences, INSA-Lyon (Co-directeur de thèse)

Lien de la visio-conférence : https://insa-lyon-fr.zoom.us/j/94242792531

Résumé de la thèse / summary of the thesis : 
La mesure mobile par la foule (aussi appelée mobile crowdsensing) est un paradigme émergent et prometteur qui a attiré beaucoup d’attention ces dernières années, notamment dans le domaine de la surveillance de l’environnement. Couplé à la puissance des réseaux de capteurs sans fil (RCSF) à bas coût, il permet de tirer parti de la densité de la population pour collecter de nombreuses données dans de nombreuses applications, telles que la surveillance de la pollution de l’air et des îlots de chaleur urbains (ICU). En effet, la pollution de l’air et les ICUs sont parmi les principaux problèmes qui souffrent encore d’un manque de caractérisation en raison des limites des méthodes d’évaluation traditionnelles en termes de coût, de taille de réseau et de flexibilité. Le mobile crowdsensing et les RCSFs visent à combler cette lacune en permettant des déploiements à grande échelle afin d’améliorer la connaissance locale du phénomène, tout en impliquant les citoyens dans le processus de suivi de celui-ci. 
 
Dans cette thèse, nous considérons l’application de surveillance de la qualité de l’air avec une approche de mobile crowdsensing, tout en nous concentrant sur trois axes principaux : 1) la conception de systèmes de surveillance de la qualité de l’air participatifs et à faible coût ; 2) l’analyse de données denses issues de micro-capteurs à bas coût et leur apport à la cartographie fine de la qualité de l’air ; 3) la sélection des chemins des participants afin d’améliorer la connaissance du phénomène tout en prenant en compte différentes contraintes. À travers ce travail, nous souhaitons montrer le potentiel de l’utilisation de RCSF à faible coût couplé à la mesure participative dans la surveillance de la qualité de l’air. Dans cette optique, nous réalisons un travail expérimental poussé sur la conception d’un système participatif de surveillance de la qualité de l’air. Nous fournissons des recommandations d’ingénierie concernant la conception de plateformes de surveillance environnementale participative à faible coût. En outre, nous effectuons des tests de validation approfondis pour évaluer les performances de nos nœuds capteurs. De plus, nous analysons les données collectées par nos capteurs et proposons un framework général qui permet de comparer différentes stratégies de régression et d’assimilation de données, à l’aide de simulations numériques et d’une estimation adéquate des covariances des erreurs de simulation et de mesure. Nous explorons également l’impact de la fréquence de mesure sur la consommation d’énergie et l’erreur de cartographie. Enfin, nous nous intéressons au problème de sélection de routes dans le cadre de la mesure participative et proposons deux nouvelles approches qui prennent en compte les contraintes des participants et les caractéristiques de la surveillance de la qualité de l’air à l’aide de RCSF à faible coût.