第1章 空域与空域研究
1.1 空域、人类-空域关系及地学视角下的空域研究
自人类历史上首次定期客运飞行至今的100年间，人类-空域交互日益增多，随着人类实践活动空间维度的不断扩展和可用空间的不断延伸，空域已逐渐成为承载经济、政治、环境等多种关系的资源载体，形成了多方面深入的人空关系，从而也引发了地理学视角下的空域研究。研究认为：①空域属性经历了从单一自然空间向综合组织空间扩展的过程，其组织空间又经历了由块状结构向网络结构再向流网络结构演进的过程。②人类-空域关系的形成机制，是以人类对空域的需求为基础，在需求背景下依据技术变革实施空域资源要素的时空精准配置，当前还需面对人类航空经济活动与空域环境保护的博弈。③地理学视角下的空域研究具有若干独特优势：获取与应用时空连续数据的优势、基于时态地理信息系统（TGIS）开发时空图+模型的优势、以流网络结构和运行结构实证研究独立空域单元（终端空域、空中廊道）的优势。由此产生的空域研究新领域与基于航线的研究有所不同。展望未来，地理学视角下的空域研究尚需进一步加强3个方面的结合：动态空域配置与航空地理市场需求相结合，以支持驱动力研究；航迹细粒度数据与航线大尺度数据相结合，以支持微观流动性研究；空中廊道技术与中国空中大通道构建相结合，以提升应用效果。
自1919年英法第一次定期客运飞行至今已有100多年。从20世纪60年代大规模远程喷气客机普及应用，到80～90年代航空自由化运动带来低成本航空公司大规模涌入，再到21世纪以来国际化对航空产业的促进可以发现，空域已不再是可提供无限资源的空间。空域系统内航线拥堵和航班延误激增，空域充分开发利用和空中交通流量管理面临诸多挑战，催生空域利用与人空关系发生重大变革。随着卫星导航技术、信息通信技术和互联网大数据平台的发展，个体飞行器轨迹信息的采集更加便捷，支持机场终端空域、多机场系统（multi-airport system，MAS）终端空域以及空中廊道等一系列独立空域单元的资源利用结构与配置方式优化升级。1999年美国国家空域系统4.0（national airspace system，NAS）的构建、2004年欧洲“同一天空空管研究”（single European sky ATM research，SESAR）计划的启动（董雅晴等，2018）、2013年中国“10+3”空中大通道首条（京昆）运行、2015年中国航空系统组块升级（aviation system block upgrade，ASBU）计划的实施，均标志着空域资源充分开发利用新理念、新结构和新方式的诞生。面对空域资源配置的变革，迫切需要全面解析空域属性，揭示人空关系形成机制。在多学科交叉研究的新时代，地理学空间研究传统与空域本质的相关性*强，进一步明确地理学视角下空域研究的独特优势，对构建未来国家空域系统和对地理学从地域/海域向空域拓展具有较大意义。
1.1.1 空域
1.天空：想象与利用
人类视野所达的地表上方空间被称为天空，其早期是乌托邦理想主义的精神源地和情感依托，通常见于远处的天空、自然的蓝色、自由天空等描述，被当作无形文化建构的超越陆地且没有边界的抽象世界，后来也多与自由冒险飞行有关。1783年首次公开载人气球飞行，其作为一个天空可见的新奇物体使“天空幻想”变为现实；随后1870年“巴黎围困”中载人气球作为运输工具被成功使用；1897年以瑞典北极探险气球为标志，已创造出一种空中循环载体（Cosgrove，1994）；1903年美国莱特兄弟依靠发动机并在机身重力作用下成功试飞第一架载人飞机；1906年桑托 杜蒙成功试飞第一架动力飞机并轰动整个欧洲；20世纪20年代，美国诞生了“有翼福音”，激发了对航空和航空教育的极大热情。飞行标志着以空气为载体的新颖移动方式的出现，造就了全新的物质性、运动性和体验性的独特空间，满足了从无遮挡视野审视地球的愿望，带来了观测范围、构想方式、视觉体验、制图方式、自我认知的转变，成为人类利用天空的*佳方法之一（Adey et al.，2007）。
2.领空：地缘政治现实的塑造
飞行以及对天空的利用促使传统笛卡儿空间对领土的理解向三维扩展。1911年英国宣布国家主权领空；1919年以《巴黎航空公约》为准，形成了关于“天空主权”的国际法律框架，“领空”概念首次被纳入国际法；1944年《芝加哥国际民用航空公约》规定了国家领空范围，并建立了领陆、领海、领空的边界联系；1982年《联合国海洋法公约》出台后，沿海国领空主权延伸至其海岸线以外12 n mile （Kaplan，2016）。上述一系列公约创造了国家领空的地缘政治现实，使地缘政治学从关注领陆/领海对国家的支配到同时也关注领空对国家安全和权力实施的重要性。领空是国家力量约束的权属飞行空间，划定了飞行的范围和边界，法律、政策和技术推动着领空的属地化进程，国家间飞行的自由度受政治力量和外交策略控制（Mahony，2019）。近年来，面对航线的全球扩展和超级航空网络的形成，又引发了对领空重新评估和定义的国际辩论（熊琛然等，2020）。
3.空域：属性扩展
空域属性经历了从单一自然空间向综合组织空间的扩展。自然空间指地球表面以上支持航空器飞行的均衡和遍在空气空间，其具备固有的介质性、连续性和可再生性等物化特性（路紫和杜欣儒，2015）。组织空间经历了块状结构向网络结构再向流网络结构的演进过程。块状结构指垂直有限和水平有界的空气空间被分解为不规则的空间单元，这类空间具有专用的命名符号系统，实施不同级别的飞行控制以有效组织空域，是一系列技术规则、资金管理、立法监管等协调与折中分割的结果（Gerdes，2018）。网络结构指物质空间（机场、航路、终端区等）和逻辑联系（圈层与等级等）交织形成的复杂网络关系（王姣娥和景悦，2017）。流网络结构指地理位置间相互作用塑造的要素流动空间（由流量、流向和流时以及多流聚合分化构成的非单一界面）。综上，空域是在人类政治、经济、社会、技术实践不断调整基础上建构的航空流载体（Lin，2020），支持不同空间尺度、时间节点、运行方式下的航空流运动。
1.1.2 人类-空域关系
基于人类资源开发和社会发展空间的垂直扩展，也基于人类对过去实践的反思总结，以及对未来的展望，人类与空域的交互日益增强，人类-空域关系的形成机制如下。
（1）人类对空域的需求。人类对空域的需求体现在航空地理市场，需求广度和深度取决于航班频率与座位容量、航线数量与航线网络模式、航空公司数量，尤其是全服务航空公司（full-service network carrier，FSNC）、赫芬达尔-赫希曼指数（Herfindahl- Hirschman index，HHI）等共同表征的航线网络辐射强度（杜欣儒等，2019）。与航空地理市场相关的航空服务潜力/机场城市经济社会差异体现在：机场城市形象与竞争力、枢纽机场分层组织、航空服务设施覆盖范围、不同运输方式间的换乘成本和便捷性、通航航线及经转点设置、航空流流量规模和分布、流网络系统功能、航空公司集团协作和约定等，这种关系均反映为航空地理市场需求，是城市间人口流、资金流、交通流、信息流等交互的结果（马恩朴等，2020），其在人类-空域关系的形成中发挥着基础作用。
（2）人类对空域资源充分开发利用及时空要素精准配置。空域资源是国家资源的重要组成部分，不同于陆域和海域资源，它没有物质实体和可见要素，边界更趋向模糊，空气介质和动力空间等概念使资源更趋向动态，价值取决于满足各类空中移动需求所产生的时空压缩效率。当前正处于空域资源开发利用与空域组织演化的关键阶段，空域功能更依赖动态配置的精准性和实时性。人类技术进步不断激活隐藏在空域中的时空要素和资源余量（Budd and Adey，2009）。例如，全球卫星导航系统和其他机载传感器子系统与地面通信系统的数据交换，完整记录并传递了航迹数据，支持了动态流密度检测，实现了精准时间计划下的空间并行和结构优化，以及时间错峰下的流量组织和容量扩充。
（3）人类航空经济活动与空域环境保护的博弈。人类-空域关系的不断深化和发展面临着经济与环境的博弈问题。航空业大发展以及大量飞行使航空碳排放和颗粒物污染加重，国际民用航空组织预计，2050年航空碳排放占比由当前的2%增至10%，航空环境问题将成为全球性治理难题，警示人类在空域经济活动中对环境污染承担治理责任。经济与环境的博弈是人类-空域关系理念转变的重要思维拐点。地理学曾针对航空碳排放的外部性问题进行了系统研究：①以不同飞行操作阶段、机型、航线距离、航线网络模式进行航空碳排放环境损害比较，发现使用城市对航线网络模式将平均减少10%的碳排放量，同时配以大型飞机低频率飞行，将更有利于降低航空碳排放的负面影响（高伟等，2019）。②以空中廊道构建高密度航空流网络，通过并行结构、自分离、动态激活等规则支持流量与容量匹配，减少额外飞行距离过长、绕飞和延误严重产生的碳排放。③以联运网络结构优化为研究内容，以吞吐量、连接性和紧凑性为指标，量化其结构弹性，支持极端事件下空域系统恢复。由此可见，人类-空域关系的可持续发展理念已逐步形成。
1.1.3 地理学视角下的空域研究
地理学的空域研究包括发表在地理期刊上的研究成果和地理学者发表的研究成果，选取文献检索数据库Web of Science（WOS）和中国知网（CNKI），检索主题词“airspace”和“空域”，筛选出38篇研究文献。梳理地理学视角下空域研究的内容，从中可大致刻画出其自身研究特色，与航空运输、航空管理等领域在数据采集与分析、方法选择与应用、目标与关键问题等方面具有明显不同，归纳地理学视角下空域研究的优势，如图1-1所示。
图1-1 地理学视角下空域研究的优势
（1）构建和使用时空连续数据。导航及信息通信技术发展支持以航迹信息（经度、纬度、高度、时间）和其他附加信息（航向、航速、航迹角、拐点等）表征的航空流运动，挖掘和应用其数据新形式，这对空域细粒度和时空一体研究尤为重要，目前航迹数据在FlightAware和Flightradar24等网站已完全公开（Lin，2020）。航线/航班量数据及机场航班时刻数据适于大尺度航空网络研究，而动态空域配置及灵活空域使用的研究目标要求时空要素精准识别，因此时空连续数据成为不可或缺的基础，地理学具有提取、处理和应用时空连续数据的独特优势，具有构建复杂航空流数据集的能力。按时间粒度划分的研究可为其佐证：既有1周完整航班时刻编排的航迹数据构建，补充周内奇偶飞行计划和临时航班取消等导致的日航班不完整数据和航线缺失数据；也有日内24 h航迹循环数据构建，用于捕捉航线网络影响事件，分析其对航空流的影响，并预测演变趋势；还有航班降落前30 min和起飞后30 min航迹数据构建，支持机场和MAS终端空域航空流动态特征分析；此外还有以15 min界定的短延迟分析和以2 min界定的滑动窗口（sliding window，SW）分析，支持微时刻调整和航空快线加密配置（张一诺等，2019；张菁等，2019）。在此，地理学广域视角和时空范式保证了航迹时空连续数据的构建和使用。
（2）开发基于TGIS的时空图+模型。其不仅提供了时空约束下的轨迹计算/模拟手段，也提供了实体节点/时空路径与航空流运行关系的分析方法，使这种流具有地理空间特性的同时，又涵盖时间属性，既反映事物存在状态的同时又表达变化过程及规律。系列模型包括网格时空图方法、时空聚类方法、SW、流量热区云图方法、多级网格时空索引和轨迹冲突检测技术等（董雅晴等，2018）。时空图+模型带来空域研究的变革：①以时空资源占用、释放和流动评估运行效率，代替以流量和容量固定比值的描述；②以航空流运行过程中航迹汇聚、交叉、重叠等揭示时空拥堵特征和网络传播特征，补充单一抵离延误时长的估算；③基于
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