Ejercicio práctico de regresión lineal múltiple: predice la calidad del aire en Castilla y León

En el campo de la ciencia de datos, la capacidad de construir modelos predictivos robustos es fundamental. Sin embargo, un modelo no es solo un conjunto de algoritmos, es una herramienta que debe ser comprendida, validada y, en última instancia, útil para la toma de decisiones.

Gracias a la transparencia y accesibilidad de los datos abiertos, tenemos la oportunidad única de trabajar en este ejercicio con información real, actualizada y de calidad institucional que refleja problemáticas ambientales. Esta democratización del acceso permite no solo desarrollar análisis rigurosos con datos oficiales, sino también contribuir al debate público informado sobre políticas ambientales, creando un puente directo entre la investigación científica y las necesidades sociales.

En este ejercicio práctico, nos sumergiremos en el ciclo de vida completo de un proyecto de modelado, utilizando un caso de estudio real: el análisis de la calidad del aire en Castilla y León. A diferencia de los enfoques que se centran únicamente en la implementación de algoritmos, nuestra metodología se enfoca en:

1. Carga y exploración inicial de los datos: identificar patrones, anomalías y relaciones subyacentes que guiarán nuestro modelado.
2. Análisis exploratorio orientado al modelado: construir visualizaciones y realizar ingeniería de características para optimizar el modelado.
3. Desarrollo y evaluación de modelos de regresión: construir y comparar múltiples modelos iterativos para entender cómo la complejidad afecta el rendimiento.
4. Aplicación del modelo y conclusiones: utilizar el modelo final para simular escenarios y cuantificar el impacto de posibles políticas ambientales.

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Arquitectura del Análisis

El núcleo de este ejercicio sigue un flujo estructurado en cuatro fases clave, como se ilustra en la Figura 1. Cada fase se construye sobre la anterior, desde la exploración inicial de los datos hasta la aplicación final del modelo.

Figura 1. Fases del proyecto de modelado predictivo.

Proceso de Desarrollo

1. Carga y exploración inicial de los datos

El primer paso es entender la materia prima de nuestro análisis: los datos. Utilizando un conjunto de datos de calidad del aire de Castilla y León, que abarca 24 años de mediciones, nos enfrentamos a desafíos comunes en el mundo real:

• Valores Faltantes: variables como el CO y el PM2.5 tienen una cobertura de datos limitada.
• Datos Anómalos: se detectan valores negativos y extremos, probablemente debidos a errores de los sensores.

A través de un proceso de limpieza y transformación, convertimos los datos brutos en un conjunto de datos limpio y estructurado, listo para el modelado.

2. Análisis exploratorio orientado al modelado

Una vez limpios los datos, buscamos patrones. El análisis visual revela una fuerte estacionalidad en los niveles de NO₂, con picos en invierno y valles en verano. Esta observación es crucial y nos lleva a la creación de nuevas variables (ingeniería de características), como componentes cíclicos para los meses, que permiten al modelo "entender" la naturaleza circular de las estaciones.

Figura 2. Variación estacional de los niveles de NO₂ en Castilla y León.

3. Desarrollo y evaluación de modelos de regresión

Con un conocimiento sólido de los datos, procedemos a construir tres modelos de regresión lineal de complejidad creciente:

• Modelo Base: utiliza solo los contaminantes como predictores.
• Modelo Estacional: añade las variables de tiempo.
• Modelo Completo: incluye interacciones y efectos geográficos.

La comparación de estos modelos nos permite cuantificar la mejora en la capacidad predictiva. El Modelo Estacional emerge como la opción óptima, explicando casi el 63% de la variabilidad del NO₂, un resultado notable para datos ambientales.

4. Aplicación del modelo y conclusiones

Finalmente, sometemos el modelo a un riguroso diagnóstico y lo utilizamos para simular el impacto de políticas ambientales. Por ejemplo, nuestro análisis estima que una reducción del 20% en las emisiones de NO podría traducirse en una disminución del 4.8% en los niveles de NO₂.

Figura 3. Rendimiento del modelo estacional. Los valores predichos se alinean bien con los valores reales.

¿Qué puedes aprender?

Este ejercicio práctico te permite aprender:

• Ciclo de vida de un proyecto de datos: desde la limpieza hasta la aplicación.
• Técnicas de regresión lineal: construcción, interpretación y diagnóstico.
• Manejo de datos temporales: captura de estacionalidad y tendencias.
• Validación de modelos: técnicas como la validación cruzada y temporal.
• Comunicación de resultados: cómo traducir hallazgos en insights accionables.

Conclusiones y Futuro

Este ejercicio demuestra el poder de un enfoque estructurado y riguroso en la ciencia de datos. Hemos transformado un conjunto de datos complejo en un modelo predictivo que no solo es preciso, sino también interpretable y útil.

Para aquellos interesados en llevar este análisis al siguiente nivel, las posibilidades son numerosas:

• Incorporación de datos meteorológicos: variables como la temperatura y el viento podrían mejorar significativamente la precisión.
• Modelos más avanzados: explorar técnicas como los Modelos Aditivos Generalizados (GAM) u otros algoritmos de machine learning.
• Análisis espacial: investigar cómo varían los patrones de contaminación entre diferentes ubicaciones.

En resumen, este ejercicio no solo ilustra la aplicación de técnicas de regresión, sino que también subraya la importancia de un enfoque integral que combine el rigor estadístico con la relevancia práctica.