Viability and implicactions of Artificial Intelligence for air quality estimation in Spain

Authors

  • Carlos Morillasa Departmento de Ingeniería y Morofología del Terreno, Universidad Politécnica de Madrid
  • Rocco Rocco Giosa Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi della Basilicata
  • Sergio Álvarez Departmento de Ingeniería y Morofología del Terreno, Universidad Politécnica de Madrid
  • Sara Martínez Departmento de Ingeniería y Morofología del Terreno, Universidad Politécnica de Madrid

DOI:

https://doi.org/10.59192/mapping.492

Keywords:

Artificial intelligence, NO2, TROPOMI, machine learning, air quality

Abstract

This study examines the potential of artificial intelligence (AI) to enhance air-quality estimation in Spain, focusing on nitrogen dioxide (NO2), a pollutant closely linked to urban mobility and adverse health impacts. The research is conducted in the Community of Madrid, which hosts the country’s most comprehensive air-quality monitoring network and provides an ideal setting to assess machine-learning-based modeling. TROPOMI (Sentinel-5P) satellite observations are combined with meteorological variables derived from surface stations and ERA5-Land reanalysis. Several spatial configurations and two model families are evaluated: tree-based algorithms (Random Forest and XGBoost) and artificial neural networks. The best performance is achieved by neural networks trained on environmentally coherent spatial clusters, yielding accuracy metrics that surpass most previous studies and demonstrating AI’s ability to capture the complex spatiotemporal behavior of NO₂, even in heterogeneous environments. Results show that, when supported by a rigorous methodological design, AI can effectively complement traditional monitoring networks, provide reliable estimates in areas with limited infrastructure, and support new regulatory requirements aimed at reducing pollutant exposure. The study highlights AI as a strategic tool for improving air-quality assessment in Spain and for facilitating the transition toward more flexible, scalable, and data-integrated monitoring systems.

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Author Biographies

Carlos Morillasa, Departmento de Ingeniería y Morofología del Terreno, Universidad Politécnica de Madrid

Profesor Ayudante Doctor en la Universidad Politécnica de Madrid (ETSI de Caminos, Canales y Puertos) y doctor en Ingeniería Geomática. Su investigación se centra en el análisis geoespacial aplicado a la calidad del aire, inventarios de gases de efecto invernadero y resiliencia climática, integrando teledetección satelital, datos in situ e inteligencia artificial. Ha participado en proyectos de investigación nacionales y europeos y es autor de diversas publicaciones en revistas indexadas en los ámbitos de teledetección, cambio climático y evaluación ambiental. Es coordinador del área de empresas del Observatorio de Acción Climática.

Rocco Rocco Giosa, Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi della Basilicata

Doctorando del programa Engineering for Innovation and Sustainable Development en la Universidad de Basilicata, donde también obtuvo el Máster en Ingeniería Informática y Ciencia de la Información. Forma parte del grupo de investigación AS ART, centrando su trabajo en monitorización ambiental y observación de la Tierra mediante técnicas avanzadas de inteligencia artificial. Está especializado en el procesamiento de datos satelitales y en el desarrollo de modelos de IA para la estimación de variables atmosféricas, utilizando herramientas como Python y MATLAB. Durante una estancia en la Universidad Politécnica de Madrid, investigó la contaminación por NO₂ en la Comunidad de Madrid, analizando la relación entre datos satelitales (TROPOMI – Sentinel-5P) y mediciones en superficie, y desarrollando modelos de aprendizaje automático (Random Forest y redes neuronales) para la estimación de concentraciones a nivel del suelo. Actualmente trabaja en el desarrollo de una Physics-Informed Neural Network (PINN) para identificar fuentes de emisión de metano y reconstruir perfiles verticales de concentración a partir de datos IASI simulados. Entre sus próximos objetivos se encuentra el diseño de una metodología de inversión multigás para estimar simultáneamente perfiles verticales de los principales gases de efecto invernadero.

Sergio Álvarez, Departmento de Ingeniería y Morofología del Terreno, Universidad Politécnica de Madrid

Profesor Contratado Doctor en el Departamento de Ingeniería y Morfología del Terreno de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de la Universidad Politécnica de Madrid. Es doctor Ingeniero de Montes. Su investigación se centra en la evaluación de la sostenibilidad mediante Análisis de Ciclo de Vida, huella de carbono y modelos input-output multirregionales aplicados a organizaciones, productos y sistemas territoriales. Es autor de numerosas publicaciones en revistas internacionales de alto impacto y de varios libros especializados sobre huella de carbono y análisis ambiental. Ha participado en proyectos competitivos nacionales e internacionales y ha dirigido tesis y trabajos de investigación en elámbito de la sostenibilidad y la evaluación ambiental. Es socio fundador y presidente del Observatorio de Acción Climática.

Sara Martínez, Departmento de Ingeniería y Morofología del Terreno, Universidad Politécnica de Madrid

Profesora Permanente Laboral en la Universidad Politécnica de Madrid (E.T.S.I. de Caminos, Canales y Puertos) y doctora en Ingeniería de Montes por la UPM. Desarrolla su actividad docente e investigadora en el ámbito de la ingeniería ambiental, con especialización en huella de carbono, huella ambiental y huella de nitrógeno, así como en el uso de datos satelitales (Sentinel-5P) para el estudio de la calidad del aire. Su investigación abarca desde la evaluación ambiental de sistemas agroalimentarios y proyectos de construcción hasta el análisis de emisiones atmosféricas y la integración de observaciones satelitales y datos in situ. Ha participado en proyectos competitivos de investigación y en contratos de I+D con entidades públicas y privadas, y es coautora de dos patentes en el ámbito de la innovación tecnológica aplicada al sector ambiental y agrícola. Complementa su actividad académica con más de ocho años de experiencia profesional en la empresa Técnicas Reunidas S.A., en el área de procesos de agua y tratamiento de aguas residuales. Es además tesorera y socia fundadora del Observatorio de Acción Climática, impulsando iniciativas orientadas a la sostenibilidad ambiental.

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Published

2026-03-17

How to Cite

Morillasa, C., Rocco Giosa, R., Álvarez, S., & Martínez, S. (2026). Viability and implicactions of Artificial Intelligence for air quality estimation in Spain. REVISTA INTERNACIONAL MAPPING, 35(221), 86–92. https://doi.org/10.59192/mapping.492

Issue

Section

Artículos Científicos