Luchtkwaliteit meten in steden

Luchtkwaliteit is levenskwaliteit. Geen enkele omgevingsfactor weegt zo zwaar op onze gezondheid. Het Europees milieuagentschap EEA schat dat zo’n driekwart van de Europese stedelijke bevolking blootstaat aan vervuilde lucht – met pollutieconcentraties die hoger liggen dan de richtwaarden van de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO).

Slechte luchtkwaliteit leidt tot beroertes, hartaandoeningen, longkanker, en chronische long- en ademhalingsziektes. Wereldwijd telt dat op tot een dodentol van 4 miljoen mensen per jaar. Ter vergelijking: in het verkeer laten ‘maar’ 1,3 miljoen mensen het leven.

Hoewel er de laatste decennia vooruitgang is geboekt, is het gevecht tegen luchtvervuiling dus nog lang niet gestreden. Bovendien wordt die strijd almaar complexer. Ze kan niet zonder méér en fijnmazigere data. Precies daarvoor heeft imec Vlaanderen zich jarenlang ingezet. Zodat overheden, onderzoekers, bedrijven én burgers uitzicht hebben op de tools om samen te werken aan gezondere lucht.

Nood aan fijnmazige data

Als het gaat om luchtkwaliteit, dan is het laaghangende fruit stilaan geplukt. De tijd waarin fabrieken ongestoord de hele stad onder een laagje roet konden bedekken, is gelukkig voorbij. Filters op schoorstenen plaatsen is dus niet langer de oplossing. Vanaf nu moeten we inzetten op onrechtstreekse maatregelen, zoals:

• de stadsinrichting veranderen
• verkeersstromen verleggen
• economische activiteiten verplaatsen
• burgers bewegen tot gedragsverandering

En dan staan we voor een hindernis. Hoe schatten we de effecten op de luchtkwaliteit van dat soort maatregelen correct in? De oorzaken en gevolgen van luchtvervuiling liggen soms kilometers en uren uit elkaar. Bovendien hangt in een stedelijke context alles met alles samen. Een straat afsluiten kan een zegen zijn voor de inwoners. Maar misschien dragen bezoekers aan een parkje verderop er de gevolgen van.

Om doeltreffende maatregelen te nemen, hebben we dus veel meer data nodig. Op veel verschillende plekken. En op veel verschillende momenten. Maar zonder dat je op elke straathoek een peperduur meetstation nodig hebt.

De oplossing schuilt in Internet of things (IoT)-technologie: relatief goedkope sensors in combinatie met geavanceerde software. Het is die oplossing die imec Vlaanderen en zijn partners jarenlang onderzochten.

Onderzoeksprojecten voor het meten van luchtkwaliteit

In Vlaanderen zijn er twee organisaties met een schat aan kennis rond het meten van luchtkwaliteit: de Vlaamse Milieumaatschappij (VMM) en het Vlaams Instituut voor Technologisch Onderzoek (VITO). Ze maken gebruik van relatief weinig, maar heel nauwkeurige meetstations. Om toch uitspraken te kunnen doen over grote gebieden, laten ze modellen los op hun data. Die modellen zijn gebaseerd op natuurkundige wetmatigheden.

Om een fijnmazigere meting mogelijk te maken, bewandelde imec – samen met VMM, VITO en andere partners – een ander pad. Met meer, goedkopere, maar minder nauwkeurige sensoren. En algoritmes om op basis van hun data betrouwbare besluiten te trekken en voorspellingen te doen:

1. kalibratie-algoritmes – Om de lagere nauwkeurigheid van de goedkope sensoren te compenseren. Want die zijn gevoelig voor sensor drift: afwijkende metingen omwille van omgevingsfactoren zoals temperatuur en vocht, of vanwege veroudering van de sensor.
2. bigdata-algoritmes – Om vanuit een grote hoeveelheid statische en dynamische gegevens voorspellingen te doen op straatniveau.

Het concrete gebruik van de sensoren en algoritmes verkenden we tijdens twee proefprojecten: Bel-Air en Dencity.

Bel-Air

Bel-Air was een samenwerking tussen imec  – in samenwerking met-imec onderzoeksgroep IDLab Universteit Antwerpen en imec Nederland – en bpost. We rustten twintig postvoertuigen uit met betaalbare mobiele luchtkwaliteitssensoren. Terwijl die voertuigen op geregelde tijdstippen de stad Antwerpen doorkruisten, verzamelden ze data. Zo kregen we meer data over het hele grondgebied.

Die dynamische data combineerden we met gegevens van de bestaande vaste meetpunten. Dat mondde uit in een dataset die we konden gebruiken voor tal van projecten rond luchtkwaliteit.

Dencity

In het project Dencity ontwikkelden we met partners imec Nederland, VMM en VITO, en met ondersteuning van VLAIO, software om luchtkwaliteitssensoren te kalibreren zonder dat je ze hoeft te demonteren. Dat is essentieel als je op een betaalbare manier met een hoge dichtheid wilt meten.

Concreet meten die sensoren fijnstof en NO2 – goede parameters voor luchtkwaliteit, die zich lokaal opstapelen. Voor het project verspreidden we er 35 vaste en mobiele in de stad Antwerpen, gekoppeld aan een cloudplatform.

De resultaten waren indrukwekkend:

• We ontwikkelden een algoritme om sensorgegevens te corrigeren voor realtime en historische gegevensfactoren.
• We ontwikkelden een online tool om de gekalibreerde metingen te visualiseren.
• We toonden aan dat onze metingen sterk correleerden met die door veel duurdere meettoestellen.

Toekomst

Onze onderzoeksprojecten naar het meten van luchtkwaliteit zijn ondertussen afgerond. Dat eindpunt is tegelijk het startsignaal voor overheden, bedrijven, onderzoekers en burgers om aan de slag te gaan. Om de brug te slaan tussen meten/weten en handelen.

De betrokkenheid van die vier groepen is essentieel:

• Overheden zijn vaak de drijvende kracht achter smart-cityprojecten die technologie inzetten om steden aangenamer en duurzamer te maken. Ze hebben ook de hefbomen om de maatregelen te nemen die nodig zijn voor de verbetering van luchtkwaliteit. Ze kunnen steunen op digital twins om de domeinoverschrijdende gevolgen van hun beslissingen in te schatten. En dankzij projecten zoals VLOCA kunnen ze gemakkelijk data en modellen uitwisselen zonder dat ze gestandaardiseerde sensoren hoeven aan te kopen.
• Burgers tonen de laatste jaren verhoogde interesse om zelf deel te nemen aan wetenschappelijk onderzoek via citizen-scienceprojecten zoals Curieuzeneuzen. In een toekomst met een netwerk van goedkope sensoren spelen zij een cruciale rol.
• Onderzoekers blijven belangrijk voor de verdere ontwikkeling en verfijning van algoritmes en modellen.
• Bedrijven zorgen ervoor dat het businessmodel klopt. Door bijvoorbeeld de sensoren te verdelen in ruil voor toegang tot data die ze kunnen gebruiken voor applicaties zoals een fietsnavigatie-app die je de gezondste route toont.
   

Imec-rapport: meten en modelleren van luchtkwaliteit in slimme steden

Wil je dieper duiken in wat we leerden tijdens ons onderzoek? Ben je op zoek naar inspiratie over hoe je technologie kunt inzetten voor een gezondere leefomgeving? In ons rapport lees je alles over:

• de meerwaarde en uitdagingen van sensormetingen
• verschillen ten opzichte van referentiemetingen
• gevoeligheden en toepassingeninzichten uit data en analyses
• kalibratie- en validatiemethoden

We beschouwen het rapport als een aanzet/inspiratie voor alle spelers (burger, overheid, onderzoek en industrie) binnen dit domein om de slimme leefomgevingen samen voortdurend verder te definiëren en uit te bouwen.

Download het rapport