基于卫星遥感的伊利湖叶绿素a长期时空变异特征分析与区域分类研究

本研究针对伊利湖有害藻华(HABs)监测中点位数据代表性不足的问题，通过评估9种卫星产品（MODIS-Terra相关性最佳，ρ=0.71），构建了24年（2000-2023）叶绿素a(Chl-a)时空动态图谱。发现西部近岸区Chl-a浓度最高（34.43%区域呈上升趋势），创新性划分9个Chl-a动态特征区，为藻华精准防控提供科学依据。

　　

伊利湖作为北美五大湖之一，近年来频繁爆发的大规模有害藻华(HABs)已成为威胁生态系统和公共安全的重大环境问题。2011年创纪录的藻华覆盖面积超过5000 km²，2014年甚至导致托莱多市40万居民饮用水危机。这些事件暴露出传统监测手段的局限性——依靠有限点位数据难以捕捉湖泊整体的藻华时空异质性。为此，首尔大学的研究团队在《Harmful Algae》发表创新性研究，通过多源卫星数据融合与长期趋势分析，首次系统揭示了伊利湖叶绿素a(Chl-a)的时空分异规律。

研究团队采用三步法开展攻关：首先匹配10个原位监测站点与9种卫星产品（包括MODIS、Sentinel等），通过Pearson相关性分析和数据可用性评估（计算有效日期像素可用率）筛选最优数据源；其次运用Mann-Kendall趋势检验和空间插值技术处理2000-2023年的MODIS-Terra数据（60.08%有效像素覆盖率）；最后结合K均值聚类与地理信息系统(GIS)划分Chl-a动态特征区。

研究结果揭示三大核心发现：

1. 卫星产品优选：在9种候选产品中，MODIS-Terra展现出与原位数据最高相关性（ρ=0.71），且具有最优的长期数据完整性，成为后续分析的基准数据集。
2. 时空分布规律：24年复合数据显示Chl-a浓度呈现显著空间梯度，西部盆地近岸区浓度比湖心区高3.3倍，8-9月藻华高峰期浓度可达年均值的7.3倍。趋势分析表明34.43%湖域（主要在中西部）呈现显著上升趋势。
3. 动态分区创新：突破传统地理边界限制，基于Chl-a浓度水平与变化趋势的耦合关系，将全湖划分为9个特征区。例如"高浓度-快速增长区"集中在Maumee河口，与农业径流输入吻合；而"低浓度-稳定区"分布于中央深水区。

这项研究的意义不仅在于构建了迄今最完整的伊利湖藻华时空数据库，更开创性地提出了"Chl-a动态特征区"概念框架。该成果为差异化治理提供了靶向依据——西部近岸区需重点控制农业面源污染，而中部湖区则应加强气候变化响应监测。研究推荐的MODIS-Terra数据应用方案，也为全球类似湖泊的遥感监测树立了技术范式。值得注意的是，作者在讨论中指出当前卫星产品在浑浊水域的算法局限，建议未来融合机器学习算法提升反演精度。这些发现将直接支撑美国EPA《伊利湖行动计划》的修订实施，对保障区域饮用水安全具有重要实践价值。