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2024 , Vol. 79 >Issue 3: 551 - 564

DOI: https://doi.org/10.11821/dlxb202403001

理论与方法探索

浅析低空地理学的特征及其对地理学的拓展

  • 廖小罕 , 1, 2, 3 ,
  • 张捷 4 ,
  • 黄耀欢 , 1, 2
展开
  • 1.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101
  • 2.中国科学院大学资源与环境学院，北京 100049
  • 3.中国民航局民航低空地理信息与航路重点实验室，北京 100101
  • 4.南京大学地理与海洋科学学院，南京 210008
黄耀欢(1982-), 男, 安徽人, 副研究员, 主要从事无人机遥感应用研究。E-mail:

廖小罕(1963-), 男, 贵州人, 研究员, 主要从事无人机组网遥感应用、无人机低空航路规划、遥感大数据计算等研究。E-mail:

收稿日期: 2022-10-17

  修回日期: 2024-02-27

  网络出版日期: 2024-04-02

基金资助

国家自然科学基金项目(41971359)

国家自然科学基金项目(41771388)

收起

Views on characters of low-altitude airspace geography and its impact on the geography development

  • LIAO Xiaohan , 1, 2, 3 ,
  • ZHANG Jie 4 ,
  • HUANG Yaohuan , 1, 2
Expand
  • 1. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China
  • 2. College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • 3. Key Laboratory of Low Altitude Geographic Information and Air Route, Civil Aviation Administration of China, Beijing 100101, China
  • 4. School of Geography and Ocean Science, Nanjing University, Nanjing 210008, China

Received date: 2022-10-17

  Revised date: 2024-02-27

  Online published: 2024-04-02

Supported by

National Natural Science Foundation of China(41971359)

National Natural Science Foundation of China(41771388)

Fold

摘要

地理学是一个由众多分支组成的学科体系，学科交叉是其学科特性。无人机应用的快速发展使得低空开发和低空经济进入地理学的研究视野，并在地理学研究实践中与其他学科产生了大量的交叉融合。近年来，社会经济发展需求推动了地理学将低空纳入其研究对象体系中，拓展了地理学的研究内容。这是一项需求牵引、充满挑战、艰巨而又全新的工作。本文认为低空是一个复杂巨系统，作为地理学的研究对象从理论上具有综合性和区域性两大地理学特征，具备采用地理学理论和方法进行低空研究的科学基础和依据。应用地理学进行低空研究的发展趋势是与航空学、信息地理学、自然地理学和人文地理学等学科的深度交叉、渗透、融合。在分析低空研究与上述学科关系的基础上，本文尝试性地提出未来地理学视角下低空研究体系的初步布局。本文抛砖引玉，期望在一定程度上推动地理学界同仁进一步关注低空开发和低空经济发展，促进地理学在新时期发展，满足实践需求，形成新的学术增长点。

关键词： 地理科学; 低空; 无人机; 学科交叉; 低空地理学

本文引用格式

廖小罕 , 张捷 , 黄耀欢 . 浅析低空地理学的特征及其对地理学的拓展[J]. 地理学报, 2024 , 79(3) : 551 -564 . DOI: 10.11821/dlxb202403001

Abstract

Geography, as part of earth science, is a complicated system composed of multiple disciplines. Interdisciplinary studies are the significant characters of geography. With the rapid development of low-altitude airspace exploitation such as the application of UAV, low-altitude airspace has become a subject of research field of geography. Recently, there are many interdisciplinary studies and integration between geography and aeronautics. However, it is a difficult and innovative task to take the low-altitude airspace as a fixed research object of geography and develop it into a branch of geography named low-altitude airspace geography. In this paper, we consider the low-altitude airspace as a complex giant system, which has two geographical characteristics of synthesis and regionalism. Herewith, low-altitude airspace is a research object of geography in theory, which is the basis of generation of low-altitude airspace geography. The development trend of low-altitude airspace geography is to deeply conduct interdisciplinary studies with aeronautics, physical geography, human geography, information geography. On the basis of analyzing the relationship between low-altitude airspace geography and the above-mentioned disciplines, we tentatively proposed the preliminary layout of the discipline system of low-altitude airspace geography, which is composed of integrated low-altitude airspace geography, departmental low-altitude airspace geography and low-altitude airspace information geography. This paper aims to promote the development of low-altitude geography as a new academic growth point of geography to some extent.

Key words： geography; low-altitude airspace; UAV; interdisciplinary studies; low-altitude airspace geography

1 引言

近年来，无人机低空应用发展迅猛，涵盖了航测遥感、农林植保、物流配送、医疗救援、执法行动、新闻收集、天气监测以及地面交通评估等诸多领域[1]。在地理学研究方面，无人机也已成为一种重要的技术手段。然而，长期以来无人机隶属于航空学研究范畴，对无人机的研究主要集中在无人机平台、载荷、平台动力、导航、飞行控制、状态监控、数据链路、任务规划以及动态组网等方面。除了无人机发展和广泛应用，其他低空飞行器如通航飞机、电动垂直起落飞行器（Electric Vertical Take-off and Landing, eVOTL）、飞行汽车等也频繁见诸报道。低空无人飞行器的发展加速了低空开发利用，如低空空中交通领域的城市空中交通（Urban Air Mobility, UAM）、先进空中交通（Advanced Air Mobility, AAM）发展的研究[2⇓-4]。2010年以来中国已批准了多省区开展低空管理应用示范[5]，至2022年共批准建设20个无人驾驶航空试验区，覆盖城市、海岛、高原、物流和综合应用等不同运行场景[6]。这些规模化低空运行试验区的建设加速了低空开发时代的来临。
为顺应发展和回应需求，低空这一概念开始受到了地理学者的关注[7]，目前地理信息技术（GIS）已经深入和广泛地应用于空域规划和管理[8⇓-10]。当对空域的研究聚焦了贴近地表的低空时，实践和理论的发展对地理学的期望就从GIS技术支撑到更加复杂低空空域资源、飞行环境和空地关系综合研究。廖小罕等曾从低空空域资源的自然属性、社会属性和经济属性等资源属性进行过初步阐述[7]，也对如何规划低空公共航路支撑规模化无人机安全高效运行进行了研究[11]。低空开发利用即将低空作为与海洋、陆地等一样的空间自然资源，除了利用航空器从事航空运输，同时还包括从事农业、工业、林业、渔业、建筑等低空飞行作业以及气象探测、抢险救灾、医疗卫生、海洋监测、科学实验、教育训练、文化体育、旅游观光等不断新拓展的低空飞行活动，从而对低空进行开发利用[12]。以低空旅游为例，中国“十四五”期间开展了大量的省级、市级的低空旅游规划，如2023年三亚市发布了《促进低空旅游发展暂行办法（草案征求意见稿）》，将低空旅游发展纳入国民经济和社会发展规划，并会同军航空管部门和民航主管部门建立低空旅游协同管理运行机制。与低空开发利用相关的经营活动被称为低空经济，在美国、澳大利亚、加拿大、巴西等国土面积较大、通用航空发展水平较高的国家，低空经济已成为国民经济重要的组成部分[13]。美国在1994年推出《通用航空复兴法》，通过实施联邦投资计划大纲、通用航空实验飞行计划（AGATE）、通用航空推进计划（GAP）、空中高速路计划（HIIS）、小飞机运输计划（SATS）等重点专项发展计划进行低空开发利用，21世纪初又提出构建“世纪空中高速路规划”，并由美国交通运输部（United Stated Department of Transportation, DOT）制定低空产业政策，美国联邦航空局（Federal Aviation Administration, FAA）对低空产业行业进行监管，通过在财政补贴、融资信贷政策方面的倾斜促进低空经济的进一步发展[14-15]。2021年2月中国也首次将低空经济纳入国家规划[5]，低空开发利用上升到国家战略层面，这其中无人机的兴起和规模化应用起到了重要的推进作用。2022年12月由中共中央、国务院印发的《扩大内需战略规划纲要（2022—2035年）》提出加快培育低空旅游业态，释放通用航空消费潜力。2024年3月《政府工作报告》进一步强调加快发展新质生产力，打造低空经济等新增长引擎。低空开发利用的快速发展和国家政策的积极推进对地理学提出了新的理论需求和应用挑战。2019年5月中国民航局与中国科学院签署战略合作协议，其中明确提出依靠地理科技手段研究低空航路网建设[16]，这是期待地理学发挥作用的标志性案例。鉴于低空具有地理学研究所擅长的区域性、综合性、交叉性等特点，采用学科交叉的观点，应用地理学的理论方法进行低空领域的研究无疑具有广阔的空间。
地理学是一门研究地球表层自然要素与人文要素相互关系与作用的科学，是融自然科学与社会科学于一体的综合性科学[17⇓-19]，在学科体系中占有重要地位。20世纪80年代，钱三强先生指出21世纪初将是一个交叉科学的时代[20]。黄秉维先生更明确指出地理学的构筑材料来源于其分支，若全委由临近学科耕耘，便可能水到而渠未成，坐失时机[21]。同样，当前低空开发迫切需要地理学提供交叉科技支撑。在空域资源开发利用、可持续发展、生态文明建设等方面，以低空为对象，地理学与航空学已有深度的相互交叉和渗透。实际上航空学与地理学融合由来已久，比较典型的如航图绘制等航空学工作就离不开地理学的理论方法支撑。近年来，已出现了地理学机构开设与航空学融合的专业性研究方向，如加拿大滑铁卢大学地理系就开设了地理与航空（Geography and Aviation）专业，其认为地理学是航空飞行必备的基础知识，通过培养地理学与航空学的交叉人才以满足航空飞行发展的需要[22]。低空开发兴起进一步推动地理学和航空学的融合向新的纵横发展。例如，2022年由中国民用航空局认证、中国科学院地理科学与资源研究所牵头组建民航低空地理信息与航路重点实验室，期望地理学与航空学在低空领域进一步交叉融合，发挥地理学的优势作用。从地理学发展的角度看，正在形成一个以低空系统和资源利用为核心的横向发展的地理学新领域，对低空系统的形成、演化、质量特征与时空规律性及其与人类社会发展之相互关系进行专门研究，地理学方法论越来越发挥主导作用。可以预见，地理学在这个领域的拓展将能更好地协同其他学科一起开发、利用、保护和管理低空地域系统，协调低空地域系统与人口、环境和发展之间的人—地关系，促使低空系统和人类开发的关系向着有利于人类社会生存与发展的方向演进。从发展需求来看，现阶段亟需开展这一方向拓展的探索性工作，进一步分析和阐明低空地理学的研究对象、方法论及其特点，一方面将有利于其理论体系的发展和研究水平的提高，另一方面也有助于在学术界特别是航空飞行与通信导航等工程技术学科范畴内对地理学及可持续发展研究在低空系统研究中的地位逐步形成共识，进而可能催生出地理学研究新的学术增长点也未为可知。

2 研究对象及其地理学特征

2.1 研究对象

低空区域是指一定真高（离地高度）以内的，安全飞行活动必须要考虑地表及其附着物对低空航空器影响的区域。依据低空空域管理改革有关政策，低空原则上是指真高1000 m（含）以下区域[7]。随着以无人机应用为代表的低空开发利用快速发展，低空与人类活动愈发息息相关，低空也从单纯的大气空间的概念延伸到具备时空要素、地形、下垫面状态、气候、极端灾害限制、知识技术、资源公共性、社会生活公平性以及经济价值等一系列自然—社会—经济子系统组成的地理对象[7]，体现出明显的人（如无人机飞行、低空经济等低空开发利用活动）—地（低空地理环境）关系（图1）。低空地理学研究对象即为这一低空地域系统（简称低空系统），是指由一定真高以下的大气空间和地表地理要素组成的特定低空地域内与低空开发活动相互联系、相互作用的，在内部不断地进行信息流、物质流、能量流、人员流交换的，具有一定结构和功能机制的人地关系地域系统。低空地理学研究的核心目标是协调低空地理环境与低空开发利用之间的人地关系，从空间结构、时间过程、组织序变、整体效应、协同互补等方面去认识和寻求全球的、全国的或区域的低空地域系统的整体优化、综合平衡及有效调控的机理，为有效地进行低空开发利用和管理提供了理论依据和应用范例。
图1 低空系统示意图

Fig. 1 Sketch of low-altitude airspace

从地理学研究的视角来看，低空系统作为研究对象是一种具有自然属性、社会属性和经济属性的自然地域综合体。现阶段来说低空是无人机产业发展的重要空间基础，是具有鲜明地理特征的客观实在。依据《矛盾论》提到的对于某一现象的领域所特有的某一种矛盾的研究，就构成某一门科学的对象，低空地理学提出的基础即为日益广泛的无人机应用为主引起的低空资源稀缺及其开发利用与可持续发展之间的矛盾，即研究对象应满足解决这一矛盾。然而，贴近地表的低空长期是飞行器适航的“荒山荒坡”，雷达通信的盲区、长期缺乏开发利用，低空地理学首要回答的是“低空应不应该、能不能、如何被地理学研究?”等问题。随着以无人机飞行为代表的低空开发快速发展，低空天然地拓展成为地理学的研究对象。首先，地理学的研究对象即为地球表层这一人类社会与自然界组成的开放的复杂的巨系统[21,23]，是指海陆表面上下具有一定厚度范围而不包括地球的高空和内部的、涉及大气、海洋和陆地三部分的地理环境。而低空是指一定真高（离地高度）以内的大气空间[7]，是地球表层空间基本构成单元，具有地理空间的基本属性（区域性、空间相互作用、空间结构），并具有作为地理空间的低空独特空间特征（特殊的行为空间）、技术性（信息容量、可进入性）。其次，低空具有明显的区域性（区域差异性、区域相互依赖性）和综合性（低空整体性、低空关联性）等地理学固有特征。针对对象的综合性进行研究是地理学的主要发展方向，是带动部门地理学发展的有效途径；而针对对象的区域性进行研究是地理学对过程和类型综合研究的概括和总结，也是地理学探讨和协调人地关系的重要基础[24-25]。为此，本文认为拓展低空地理学进行低空系统及其整体结构、特征、功能和行为的研究，旨在科学阐明自然和人为驱动力与低空系统变化相互作用的规律和机制，满足以无人机为代表的低空系统开发利用与可持续发展的需求。

2.2 研究对象的地理学特征

（1）低空的区域性
区域性是地理学研究对象的重要特征，指的是研究对象的区域差异性和区域相互依赖性，可以说没有区域就没有地理学[26]。低空作为一种空间资源具有自然、社会、经济三重属性[7]，与地貌、流域、城市、土地、矿产资源等地理学研究对象类似都具有区域差异性。低空区域差异性体现为区域内的空间差异和区域间的地域分异。首先，低空是由水平方向的国土范围、垂直方向的真高以及时间要素组成的四维时空体[7]，因此四维时空体内部的气候、地形、地貌、下垫面等地理学要素所固有的水平方向差异（如近于东西延伸、南北更替的纬度地带性，以及近于南北延伸、东西更替的经度地带性）必然影响低空在水平方向上形成一定程度的地带性。同时，由于低空是一定真高以下的立体空间，真高以下空间内部的气压、温度、风速、气压等要素在不同高度切面上具有的垂直方向差异性，使得低空也具有随着高度递变的特点。与地理学已知的垂直地带性规律相比，低空的这种垂直差异性时间变率更大，规律性更加复杂。事实上，现阶段的低空开发利用也已经根据不同的真高范围对低空进行了初步的定义和划分[7]。也就是说由于低空受到自然—人文多重地理要素的影响，低空相关地理对象的空间差异、区域分异等地带性分布规律一定程度上决定了低空的区域差异，可沿承其他地理学分支的地域分异研究成果。
微观层面，低空所具有的知识性、公平性、公共性等社会属性[7]也可以自生差异性，是加强或减轻这种区域差异性的重要因素。在现阶段主要面向无人机的低空开发利用背景下，如技术发展区域不平衡（通讯、雷达等基础设施、无人机产业等）、空域管制、禁飞区、无人机噪声环境污染等进一步加大了低空的区域差异性。研究低空的这种区域性特征，分析特定低空环境的形成、过程、格局、区域差异和联系，进而揭示其地域分异规律，正是地理学所擅长的。然而需要看到，现阶段低空是与频繁的无人机飞行活动紧密结合的，因此与传统的地理学研究对象相比，低空的区域差异性还具有时间变率更大的特点，这种高频时间变化的区域差异性对地理学研究方法提出了新的挑战。
低空的区域性还包括区域相互依赖性，其与区域差异性一道体现了地理学研究对象区域性的辩证与统一。低空的区域差异性造成了在地域上低空必然产生一定的格局，这种格局差异会影响到低空资源开发利用的进程，而低空开发利用进程的变化又反过来影响低空格局的变化过程，即产生了低空格局和过程间的相互作用。这种相互作用表现在区域之间即为相互依赖性，包括不同时间序列、不同空间尺度的区域之间低空资源开发利用及格局的相互依赖性。低空的相互依赖性不决定于“空”而决定于“人”，现阶段则是通过人类开展的无人机应用等低空开发活动将不同地域的低空串联起来。低空的相互依赖性表明包括区位论、点轴理论在内的大量地理学经典理论方法大有用武之地。
（2）低空的综合性
地理学的研究对象是一个复杂的巨系统[27]，从1983年起，钱学森就不断倡议运用系统科学的理论综合研究人地关系的巨系统及其结构与功能，并强调这是地学重要的基础研究[28]。在地理学上即便是土壤、水文、气候、地貌等部门地理学的研究对象也不是割裂的单一对象，而是综合的、交叉的。相对上述研究对象，低空的这种综合性特征更加明显，具体体现在低空的整体性和关联性两方面。低空整体性指其是由自然环境和人类社会环境等多元要素组成的统一整体。自然空间上，低空可理解为陆表与大气之间的交错带，兼顾二者特征。因此，其自然环境要素既包括一定真高内的低层大气圈各要素，也包括与大气圈底层交织在一起的地貌、地形、水圈、生物圈等陆表要素。和相对稳定的低层大气圈相比，陆表各圈层要素更加复杂、变化更加剧烈，也正是地理学研究的传统优势领域。人类活动上，以无人机发展为催化剂，低空要素不仅包括城镇化、土地利用开发、基础设施建设等与地表结构相关的空间要素，还包括通讯、空域管制、公共安全等知识政策要素[7]。低空就是这样一个由上述多种要素（自然要素、人文要素）组成的整体——低空系统。此外，以无人机作为低空开发利用主体的现状，低空的整体性还表现在其研究是包括地理学和航空学为一体的复杂科学体系，可以说低空地理学应是地理学与航空学之间的交叉学科。
低空的综合性特征更主要的是其关联性，既体现在低空系统内部各组成要素之间的内在联系，也体现在低空系统与地理环境（自然—人文环境）其他分系统之间的联系。低空系统内部任一自然—人文要素的变化都会引起低空系统的变化，同时低空是一个不稳定的、非线性的、远离平衡状态的耗散结构，该系统中任何一个要素的变化也会引起其他要素的相应变化，各要素之间相互影响、相互作用，很难单独剥离，其整体大于部分之和[29]。以城镇化为例，增多的建筑物增加了地表结构的复杂度，挤压了低空空间，但也增加了通讯基站等知识技术要素，扩展了面向无人机飞行的低空空间，同时城镇化又通过改变下垫面过程影响局地及区域气候要素[30]，进而影响低空空间。从地表巨系统的尺度来看，低空系统是其组成要素，低空与地表其他子系统的相互作用就成为地表巨系统组成要素之间的内在联系，当把低空也纳入到地表巨系统内相互作用的载体之列后，低空研究也就具备了能够与人口、资源、环境和发展（Population, Resources, Environment, Development, PRED）相综合揭示地表巨系统空间结构演变内在机理的能力。尤其是将无人机应用作为一种产业进行发展，进而将低空作为一种资源进行开发利用，低空与地理环境（自然—人文环境）其他分系统之间的联系性使得今后PRED协调发展也需要考虑低空这一新要素。如在国土空间规划和城镇化规划、城市规划中进行低空航路的规划设计，在区域发展、产业规划中考虑低空资源开发等。

3 主要研究内容

长期以来低空研究只是作为空中交通管制的空域的一个要素进行研究，将其作为一种资源、一个整体并进行综合性的研究并未得到应有的重视。现阶段来说，低空已经不仅是传统的少有开发价值的大气载体，低空已成为耦合了地表下垫面、低空大气空间、人类开发活动及其所涉及到的各种自然—人文要素的地域综合体，各个要素之间相互作用，影响低空空间的分布规律、演化特征以及低空开发利用的资源量和强度。同时，无人机大量无序应用以及随之而来的日趋增多的低空开发进程，产生了诸如公共安全、噪声、大气污染等一系列生态、环境、社会、经济问题，高效利用和安全运行的低空环境成为了现实需求。而从学科研究方向和重点来说，上述问题对于航空学而言力所不逮，却是地理学理论方法所擅长的人地关系研究内容。低空地理学作为新的、跨自然科学、社会科学与工程技术科学等多学科的、交叉性的综合研究领域，需要突出地理学的学科优势，从人地关系地域系统等地理学经典理论视角出发，适当界定研究内容范围和学科研究特色，形成一套完备的理论、方法和应用体系。笔者认为低空地理学不仅要研究人类与低空、低空与低空、低空与环境之间的相互作用、相互促进、相互制约的对立统一关系，还需要研究低空开发利用过程中的物质能量动态循环规律，进而揭示低空系统的基本特征、功能结构、资源化过程及资源的时空规律、动力机制，探索低空开发利用与人类生产—生活—生态活动相互影响和作用机理、协调发展和科学评价途径。
就目前而言，低空地理学的主要研究内容包括（图2）：① 低空地理学的概念与理论体系研究；② 低空地域系统的发生、演化规律、时空规律性及作用机制；③ 低空空域资源评价、低空资源区划及其开发利用；④ 低空经济与低空产业地理特征、结构、布局和优化；⑤ 区域低空资源开发与社会、经济、环境的相互综合关系及其优化调控；⑥ 低空监视系统、低空对地观测系统和移动通信网等基础设施立体空间优化布局；⑦ 低空数字化时空可视化技术；⑧ 低空立体交通规划布局和航路构建理论与方法。
图2 低空地理学研究内容组成图

Fig. 2 Low-altitude geography research contents

上述研究内容反映出当前发展需求对地理学发挥作用的期望，也在很大程度上囊括了低空地理学的基础理论、基本原理、技术方法论和实际应用等一个新兴学科落地所需要的基本组成要素。

4 与相关学科的关系

低空地理学作为地理学的分支，应该将低空的人地关系作为研究的核心，以无人机飞行为代表的低空开发利用活动作为地球表层人类活动的一种特殊形式，依附于一定的地域，并与相关地理环境产生相互作用，与自然地理学、人文地理学、信息地理学等地理学分支学科相融合[31]，体现区域性、综合性和应用性特点。因此地理学综合性与系统分析方法、区域性与区域分析方法的方法论可作为低空地理学进行低空空间结构格局及分异规律、低空资源形成过程机制、低空开发利用活动与地理环境的相互关系等研究的核心方法[32]。在此基础上，充分体现交叉性，与航空学等相关学科充分融合，构建完备的理论基础和学科体系。

4.1 与航空学的关系

传统意义上地理学与航空学是相互独立的学科。航空学研究内容包括航空器研究、设计、制造、试验、飞行、维护使用和管理等所涉及的各种科学知识，包括空气动力学、飞行力学、飞机结构力学、航空发动机原理、航空材料学、航空器制造与工艺学、飞行自动控制理论、导航原理和领航学、航空电子学、航空系统工程、空中交通管制理论等[33]，与地理学本无渗透与交集。地理学和航空的结合最先体现在航空地理学上，其核心内容是航空运输，本质上是将航空产业作为与地面交通运输产业等同的对象来研究，不涉及到空域本身[34]。与航空地理学不同的是，低空地理学的提出是把低空地域空间和陆地、海洋一样等同对待，作为其研究对象。由于低空贴近复杂的自然和人文地表环境，不利于安全和高效飞行，使得低空长期作为航空“荒山荒坡”。近十几年来，随着无人机为主的航空器兴起并在低空的活跃应用，高效利用和安全运行的低空环境成为航空学需求。而地理学在地表地形地貌三维空间布局和演变，人工附着物的规划和建设，政策限制区和地理围栏等方面具有先天优势，因此低空地理学可以为航空学进行低空空域规划、开发和利用提供重要的技术支撑。
其次，航空学被地理学所需要。无人机凭借其高频、迅捷的优势，已成为星—空—地一体化监测体系中除卫星和地面监测之外的重要一环[7]，作为地球观测与导航领域一项重要技术手段，为地理学研究提供了新视野。普及的无人机给地理学带来了跨越，人文地理学家早已实质接触的源于军用的技术，正在成为自然地理学家近距离遥感的重要工具，无人机正在重新改变人类的地理想象[35]。尽管与航空学研究侧重点不同，低空地理学更关注无人机数据的分析和应用、低空空域本身的发展规律，但航空学中低空及无人机相关技术成果是低空地理学研究主要驱动力，使得低空地理学研究成为可能。
最后，无人机时代需要低空地理学。得益于航空事业尤其是近年来无人机技术快速发展，人类对于低空的需要和开发能力也不断增加，促使低空研究成为一种具有区域性、综合性的地理学问题。此外，低空开发利用引发的公共安全等新低空问题制约着航空学在无人机及低空领域的研究与学科发展，恰恰给地理学向低空系统拓展提供了契机。

4.2 与信息地理学的关系

信息地理学是最先介入到低空地理学研究的地理学分科。可以说，低空地理学起源于信息地理学对于无人机应用的研究。信息地理学包括地理遥感科学、地理数据科学和地理信息科学[31]。无人机遥感以其操作易行、覆盖范围广、影像数据收集快速、便于解析、应用周期短、运行和维护成本低、受自然环境约束小以及影像清晰度高（精度可达到厘米级）等优势，依赖于地理要素遥感辐射传输建模和定量遥感反演理论，弥补了航空遥感和卫星遥感的不足，已成为地理遥感科学独特和不可或缺的组成部分[36]。相较于卫星遥感数据，无人机遥感数据空间分辨率更高（厘米级）、观测频次更大（秒级）、载荷更复杂多样，从而产生了更大数据量的地理数据“爆炸”，需要借助地球大数据挖掘与分析、地学智能计算方法等地理数据科学技术进行低空地理数据—信息—知识—决策的贯通。地理信息科学对于地理空间认知、表达、分析、模拟、预测、优化方法能够实现低空在地理信息空间中的表达与耦合。如网络剖分、低空航路网、低空通讯覆盖范围、低空遥感网等都需要地理信息科学的支撑，并以地理信息可视化的方式呈现。
此外，低空系统内的信息是自然地理信息（地形、气象等）和人文地理信息（土地利用、基站、无人机开发利用等）的复合体，实现低空系统内自然要素和人文要素向低空信息的映射，研究低空信息的时空分布、结构特征、演化过程以及相互作用的认知、表达与分析，既是信息地理学所擅长的，也为信息地理学提出了新的课题[37]。可以在信息地理学统一的时空框架下，采用信息地理学方法获取低空自然地理过程、人文地理过程信息，进而构建低空数字孪生系统，研发基于人工智能技术的无人机等开发利用活动与低空空间之间交互模式，进行基于云计算和人工智能的低空空间自然—人文过程信息处理，搭建基于5G网络环境和虚拟现实（VR）、增强现实（AR）及混合现实（XR）技术的低空系统虚实界面，形成一个封闭低空元宇宙系统，最终实现信息世界对低空物理世界和人文世界的真实化描述、多情景模拟、多目标决策以及多通道控制的反作用。实际上，现阶段低空航空学也一直在主动积极寻求与信息地理学的融合，以解决安全运行等问题，所以信息地理学一直走在低空相关研究的前列。以空中交通管制系统为例，雷达是确保安全和避免碰撞的重要手段，而在低空雷达很难发挥作用，采用基于精准导航定位技术与地理信息技术的即时地理信息服务可为低空安全高效运行提供新的解决方案。

4.3 与自然地理学及人文地理学的关系

从研究对象的自然属性来说，低空是包括大气圈、水圈、生物圈等地表各个圈层的综合体，隶属于自然地理学的研究范畴。因此，气候学、地貌学、水文学、土壤地理学、生物地理学等部门自然地理学的相关研究方法及其对单一自然地理要素成分的组成、结构、时空动态和分布等研究成果都可作为低空地理学下垫面研究的基础。同时，将低空作为自然综合体来看待，可以依托综合自然地理学对景观、土地、流域乃至整个地球表层系统等不同自然地理综合体的组构特点、形成机制、地域差异和变化发展规律的成果；采用综合自然地理学的非线性耦合反馈方法论的综合研究范式、要素—过程—格局的综合研究模式对低空各个自然地理分要素变化的耦合—系统效应进行研究，揭示低空动态变化规律，预估低空发展趋势。如全国地貌类型区划、生态地理区划和气候变化风险区划等[38⇓-40]自然地理学区划结果和方法可以应用于低空资源区划，进而整体把握低空时空分布格局。而与自然地理学不同的是，低空地理学并不聚焦于自然地理要素及其综合体本身的格局、驱动力和变化规律，更关注的是将自然地理要素及其综合体的自然地理规律、特征作为低空安全运行环境一部分，研究其对于包括无人机飞行在内的低空开发利用的影响及其相互制约与耦合关系。
人文地理是研究地球圈层中人文与自然圈层相互作用的一门地理学分支学科，现阶段与低空地理学的交叉并不明显。其原因主要与无人机普遍被地理学家作为一种遥感监测手段，同时无人机及低空开发利用相关产业还处于无序、混乱的灰色地带等因素有关。但近年来，人文地理学已经开始介入低空领域研究，如将通用航空与旅游跨界结合、并且横向拓展和纵向延伸形成低空旅游业[41]；将无人机低空公共航路作为一种低空空域资源的高效利用方式和有序组织结构，在城镇地区进行复杂地表/超低空的空域资源利用与划设[11,42]。由工业和信息化部2017年发布的《关于促进和规范民用无人机制造业发展的指导意见》指出，到2025年民用无人机产值达到1800亿元，年均增速25%以上。作为国家综合立体交通网重要组成的低空经济将成为国民经济中重要的产业，低空也将成为经济地理学研究的重要内容。此外，以无人机快递为代表的交通运输的发展，使得无人机成为公路、铁路、民航以外重要的新兴物流运输交通工具，相关的低空航路规划设计、交通运输布局等工作将促进低空地理学与交通地理学的交叉。可以说，人文地理学将是促进低空地理学发展的重要地理学分支，其人地关系地域系统理论、区位论等经典理论都可以应用于低空地理学的相关研究中。

5 学科体系发展

低空地理学的概念更应该聚焦于地理学，在它的成长过程中，需要相关学者积极参与讨论。笔者基于多年低空相关工作，结合现代地理学的自然地理学、人文地理学、信息地理学等学科体系[43⇓-45]，尝试探讨低空地理学的学科体系，以期推动相关学科的发展（图3）。
图3 低空地理学学科体系初步布局

Fig. 3 The discipline system of low-altitude airspace geography

首先，是综合性低空地理学研究，研究低空系统的发生、演化及其人空耦合关系的一般性规律，为部门低空地理学的研究提供理论基础和方法论，具体可分为低空地域系统和区域低空地理学。低空地域系统研究应用是发展低空地理学的基础性工作，需要厘清低空地理学的研究边界，明确其研究对象及相关要素、关系的基本概念，确立低空地理学的学科地位；在此基础上，以地理学理论方法为主导开展低空地域系统研究工作，将低空系统作为一个特殊的自然与人文复合地域系统，进行低空地域系统理论方法体系研究，探究低空要素及系统的格局—过程耦合、动态演化机制、优化调控等关键问题；同时，面向全球低空开发新动向及民族复兴等国家需求，开展低空系统开发治理、空间规划体系基础理论方法的地理学研究。此外，从区域角度观察和研究低空地域系统，对低空系统过程和类型综合研究进行概括和总结，进行区域低空地理学方面的实践落地研究。在多尺度低空系统地理区划的基础上，通过不同区域类型的低空地域系统研究，探明区域低空承载力、低空地域分异、区域低空发展机理，构建区域低空治理体系、低空可持续发展模式，从而自下而上地揭示区域到全域的适普性低空地理学规律，以确立低空地理学在地理学学科体系中的地位。
其次，是开展低空系统各要素的专门性研究，实现低空地理学的学科纵向分异。从现阶段无人机应用及低空资源开发利用的角度，低空地理学纵向分异涉及的部门学科可以包括低空自然地理学、低空交通地理学、低空产业地理学、低空资源地理学、低空社会地理学、低空城乡地理学、低空环境地理学等。其中，低空自然地理学可将低空作为自然地理综合体，研究低空自然环境的空间特征、演变过程及其地域分异规律，研究低空自然综合体内气候、地貌、水文、土壤、生物以及自然灾害等要素耦合的格局、过程及变化与无人机应用等低空开发活动之间相互作用。低空交通地理学是将低空航空从传统航空交通研究中单独抽取出来[46]，聚焦无人机空港及航路等基础设施布局与组织网络分析，低空交通运输对城市空间结构及区域发展的影响机制，低空交通运输可达性的空间格局影响及基于可达性的社会服务区位评价，低空交通运输行为及其影响机制，低空交通运输与其他交通运输方式（航空、高铁和汽车）的竞争性和互补性，低空交通的经济、环境、社会效应和低空交通规划政策，低空交通的公平性、流动性和可持续性建设等研究工作。由无人机生产制造及无人机应用的专业化服务催生出的低空产业发展迅速。低空产业地理学是在低空经济进入国家规划[47]的背景下，将低空经济作为一种新经济形态，针对无人机产业以及低空资源开发等低空经济活动，开展低空产业区位布局与结构、低空产业聚集与迁移效应、区域低空产业演化、低空产业宏观发展战略、低空企业微观活动空间特征及行为决策分析、绿色低空产业发展路径等研究工作。低空资源地理学以低空资源的开发利用与保护为目的，探索低空资源量的时空分布格局与影响机制、低空资源承载力、低空资源开发与经济发展的相互关系、人类社会发展对低空资源的影响、低空资源评价与可持续开发利用路径等。低空社会地理学则强调无人机应用等低空开发利用活动中人类福利与社会公平，提前开展低空公共资源管制权、低空公民使用权、低空开发的城乡差异与空间组织、行政区域间低空开发利用博弈、低空资源供给与社会需求关系、低空开发效益社会分配、低空开发利用公共安全等方面的研究。低空环境地理学主要面向诸如无人机飞行造成的噪声污染、大气污染等低空开发利用相关生态环境问题，开展低空环境系统过程与模拟、低空环境容量和环境治理、低空生态环境风险评价、低空环境与人类健康、低空开发利用碳排放的测度及特征、低碳低空开发利用路径等研究。
最后，是低空信息地理学的研究，涉及低空地理遥感学、低空地理信息学、低空地理数据学等。低空地理遥感学主要面向的是无人机遥感技术，开展基于无人机精细尺度的地表参数遥感反演研究，进行植被、土地覆被、地貌、水文等尤其是灾害应急无人机高频迅捷遥感应用研究，以无人机为中间媒介的卫星—地面尺度转换和真实性检验研究。重点在发挥无人机低空遥感的优势，弥补传统卫星遥感、航空遥感和地面遥感的不足，丰富地理遥感科学的研究范畴。低空地理信息学主要利用地理信息技术探索低空这一特定空间的认知、表达、分析、模拟、预测和优化方法，进行低空虚拟场景构建，低空GIS技术，低空全息地图，低空时空数据模型，低空空间统计与分析，低空空间不确定，低空地理数据挖掘，低空人工智能等方面的研究。低空地理数据学面向无人机观测数据、低空空间三维建模数据、无人机反演产品数据等，发展低空地理数据的共享标准规范及数据模型，低空数据与天—地数据的融合集成与共享，低空大数据航母平台等，并以此支撑低空地理信息学中相关分析与数据挖掘研究。

6 结语

随着以无人机广泛应用为重要标志的低空开发时代来临，低空资源开发和科学利用对科技提出了需求，对地理学发挥作用得需求也愈发迫切。地理学面向低空资源、环境、交通与安全等的研究将地理学研究拓展并蕴含了一门新的分支学科——低空地理学。本文在阐明了低空具备综合性和区域性的地理学特征的基础上，梳理了低空地理学的主要研究内容；基于低空地理学与航空学、信息地理学以及自然地理学和人文地理学的关系，尝试性的提出由综合低空地理学、部门低空地理学、低空信息地理学三部分组成的低空地理学的学科体系战略布局。尽管低空已经从很多方面融入到地理学研究中，但将低空地理学作为地理学一个分支学科提出仍是一个大胆的尝试，本文并不是给出低空地理学的定论，而是以此吸引航空学、地理学工作者的关注，启动这一学科讨论。可喜的是地理学者也已经开始意识到这一学科的前景，2021年11月中国地理学会大会就专门开设了低空地理学分会场，首次围绕这个主题组织开展了研讨（http://ccg-gsc.cn/fhc）。2022年初中国民航局批准认证中国科学院地理科学与资源研究所牵头组建低空地理信息与航路重点实验室也是民航主管部门对地理学在低空研究中发挥作用的认同。本文关于低空地理学研究内容、学科体系的概述仍需进一步完善，以期加快推动低空地理学的发展。坚信随着低空开发利用井喷式发展，低空地理学很有可能是将来很长时间内地理学研究的又一重要领域。

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