城市低空空域可用空間識別與容量評估——以北京市為例

李玲玲，韓瑞玲,*，張曉燕

(1.河北師范大學資源與環境科學學院，石家莊 050024；2.河北師范大學家政學院，石家莊 050024)

低空空域，指地球表面以上可供通用航空器飛行的真高1 000 m(含)以下的空氣空間[1]，是空域的重要組成部分[2]，也是國家重要的戰略資源[3]。低空空域容量，指在單位時間內能安全容納航空器架次的最大數量[4]，也稱低空空域空中交通服務量。2010年中國低空空域管理開始改革，通過逐步擴大低空空域上限[5]以保障低空空域資源開發利用和通用航空產業發展。2010—2014年在中國低空空域管制區33%的試點范圍開放了真高1 000 m以下低空空域，允許通用航空器飛行，并規定該范圍可實行動態管理、靈活使用。2015年后，低空空域管理改革在全國鋪開，全面開放低空管制區，允許私人飛機經申請后使用1 000 m以下空域。

中國低空空域開放總量相對較小、上限低，管制相對嚴格[6]。按照國際民航組織(International Civil Aviation Organization，ICAO)的空域分類標準，低空空域是除A類(6 000 m以上絕對管制區)、B(6 000 m及以下絕對管制區)、C類(進近管制區)、D類(機場塔臺管制區)等公共運輸航空主要使用的空域，以及特殊用途空域(如軍航訓練空域、空中禁區、限制區和危險區)之外的所有空域；通常又可以按照限制等級和服務類型細分為E類、F類(均為較低管制空域)與G類(非管制空域)[7]，其中F類空域多執行儀表飛行規則(instrument flight rules，IFR)，一般用于高空飛行和惡劣天氣飛行；E類或G類空域則執行目視飛行規則(visual flight rules，VFR)[8]。目前，國際層面上尚未對低空空域的范圍確立統一標準，ICAO以及各國對于低空空域劃設的上限也不盡相同，大多數發達國家都將商業運輸飛行最低巡航高度層之下的空域劃定為實施VFR的低空空域，即無需管制許可就能飛行[7]。目前，中國低空空域范圍劃分不存在非管制區域，沒有涉及通用航空飛行的E或G類空域；且飛行上限1 000 m的范圍相對于國內巨大的通用航空市場而言，低空空域容量明顯不足；空域整體上實行軍民航飛行和空中交通管制部門按照航路、航線需求進行模糊化統一管理方法，按照《通用航空飛行管制條例》規定，低空空域因總體上屬于管制區導致通用航空飛行審批程序復雜嚴格；通用航空飛行的申請歸口不統一，或為軍航飛行管制部門，或為民航飛行管制部門，使得通用航空飛行與軍民用機場的進離場、訓練飛行相沖突，難以統一協調放行機制。

目前，無人機作為通用航空產業的重要運行工具、城市低空空域的主要使用者[9]，隨著城市低空空域交通流量不斷增長，使得其與有限的城市低空空域容量之間的矛盾不斷顯現繼而影響飛行安全并產生因飛行器碰撞或墜落造成經濟損失[10]，直接影響了低空交通需求與無人機飛行安全。截至2019年底，全行業無人機擁有者注冊用戶37.1萬個，注冊無人機39.2萬架，參與民航局無人機云交換系統的無人機飛行活動125萬h，較2018年增長了238%。無人機活動普遍具有機動靈活性、飛行范圍廣泛等特點[11]，也增加了城市低空空域容量評估難度。因此，實施空中交通流量管理(air traffic flow management，ATFM)，合理安排飛行流量，是解決城市低空空域交通擁擠的有效方法。而科學高效地評估城市低空空域容量，是實施空中交通流量管理策略的重要基礎[12]。

對城市低空空域容量評估首先應開展城市低空空域可用空間識別，并根據空域特征進行有效飛行。近年來，學者們關注空域容量研究問題主要集中于空中交通的核心要塞和交通密度最大區域——民航機場終端區空域，特別是機場跑道區空域，并逐漸擴大至終端區所在的區域管制空域[13]。具體評估過程中，學者們充分考慮了多種影響因素的選擇和使用，如考慮機場終端區系統自身復雜性和評估風險要素[14]、人為因素[15]、航班排隊特征[16]、控制通信的統計特性[17]、環境條件[18]等，以最大程度精確空域容量的動態化計算與模擬。此外，對機場終端區之外的空域容量評估以航路匯聚點或節點為核心展開，通過研究航路時空擁堵狀況確定空域容量[19]。迄今為止，中國學者對于城市低空空域容量評估研究甚少，已有的少數國外研究主要集中于無人機城市交通管理系統的建立，從理論上尋找無人機在城市內的最優軌跡[20]、建立安全有效的無人機低空航路[21]；關于低空空域容量評估方法的嘗試主要以計算無人機數量閾值為主[22-23]。隨著中國低空空域的逐步放開，以及通用航空產業大放異彩，亟需開展低空空域容量的深層次研究。首先對城市低空空域容量評估的關鍵問題進行了梳理，分別從可用空間識別、結構特征、無人機碰撞風險3個角度進行城市低空空域容量判定的約束。接著以北京市為例，對其城市內部核心區域的低空空域容量進行模擬評估。合理有效地評估城市低空空域容量，是優化空域資源利用、提高通用航空產業經濟效益的重要手段。

1 城市低空空域容量評估的關鍵問題

1.1 城市低空空域可用空間識別

低空障礙物及其間隔標準是城市低空空域可用空間判定的重要依據。低空障礙物分為動態障礙物和靜態障礙物，前者包括飛行中的鳥類和其他飛行器；后者包括建筑物等空間地形復雜性、人造障礙物和山丘樹木等天然障礙物，是城市低空空域空間可用與否的主要約束條件。城市低空空域因近鄰地表，受低空障礙物及其間隔標準影響，被劃分為可用空間與不可用空間。其中，可用空間指沒有障礙物且不受地理環境影響的空域，不可用空間指受到障礙物或地理環境影響變得不可使用的空域[24]。在相同的飛行高度和空中交通流量條件下，低空障礙物復雜地區的低空空域可用空間小于低空障礙物簡單地區。許多國家通過設置低空障礙物間隔標準，限制無人機與地面障礙物的最小距離以保證其在城市低空空域內安全運行，如澳大利亞、加拿大、日本、中國香港均設定為30 m，英國設定為50 m，新加坡設定為60 m。

1.2 城市低空空域結構特征分析

城市低空空域結構是影響城市低空空域容量的重要因素[25]。城市低空空域結構限制了無人機在空域內部運行的飛行高度、方向和速度，導致不同空域結構的運行效率差異，從而影響了城市低空空域容量。城市低空空域結構主要包括4種[26]。

(1)無結構，也稱混合飛行結構空域，在該結構下運行的無人機只受天氣、靜止障礙物和地形等物理約束，以最佳飛行高度和速度，使用“起點→目的地”的直接路徑運行(圖1)，但該結構內部飛行方式復雜，安全性較低。

(2)層結構，通過限制無人機飛行高度將城市低空空域分割成高度差為100 m的水平多層帶狀堆疊結構(圖1)。無人機根據其飛行需求選擇相應的飛行高度層，飛行距離越長，選擇的飛行高度層越高。層結構降低了結構內部飛行方式的復雜性，具有一定安全性。

據參考文獻[26]改繪

(3)塊結構，即在保留層結構高度限制的基礎上，充分考慮城市布局影響。以城市中心為圓心，將每層城市低空空域層結構分割成放射狀區域，進一步將城市低空空域劃分為限制飛行高度和方向的塊狀結構(圖2)。塊結構可以最大化發揮無人機飛行方向與飛行高度的組合優勢，使其飛行路徑盡可能優化。

據參考文獻[26]改繪

(4)管結構，即通過預先規劃的無沖突路線建立包括起點、終點、高度、時間要素的四維管道(圖3)，對無人機飛行高度、方向和速度進行限制，提供城市低空空域飛行固定航線。航線以節點(一個或多個路由的連接點)相連，邊是連接兩個節點的連線(飛行航路)，處于同一高度的航線除節點外沒有其他交叉點。管結構最大程度保證了城市低空空域內部的安全性，但由于限制嚴格，降低了無人機飛行效率。

圖3 管結構示意圖(據參考文獻[26]改繪)

上述4種城市低空空域結構旨在降低空域內部交通流的復雜性[27]，以達到安全飛行目的，但過多的限制條件導致城市低空空域容量降低。進一步驗證表明：層結構在不過分影響無人機運行效率的情況下協助其分道而行，安全性和城市低空空域容量最高，是最優城市低空空域結構，無結構因飛行方式復雜導致安全性最低，塊結構和管結構因限制嚴格導致城市低空空域容量最低[28]。

1.3 城市低空空域碰撞風險界定

城市低空空域碰撞風險指空域內兩架運行中的無人機進入彼此之間的距離小于特定間隔的概率[29]，是考慮了飛行安全上的城市低空空域容量評估約束條件。城市低空空域碰撞風險因無人機自由飛行[30]、按需飛行[31]、無序飛行等活動靈活特性而增加，所以被視為城市低空空域容量評估的重要影響因子。當城市低空空域內無人機碰撞風險小于最低安全事故率時，則證明該城市低空空域處于安全狀態，再根據具體飛行環境及時間評估基于安全碰撞風險的城市低空空域容量。

2 研究方法與數據來源

由于中國并未對城市低空空域進行結構性管理，因此本文主要考慮低空障礙物與間隔標準、碰撞風險2個問題進行城市低空空域可用空間識別與容量評估。

2.1 地理圍欄技術

城市低空空域可用空間識別主要采用地理圍欄(geofence)技術，是基于位置服務(location based service，LBS)使用虛擬圍欄來表示虛擬地理邊界的技術。該技術在無人機等移動設備裝置內嵌，當設備靠近地理圍欄時會自動推送地理圍欄信息[32]，目前已廣泛應用于廣告[33]、交通信息[34]等多種服務領域，并可輕松實現服務、通知、預警等信息推送。在城市低空空域應用中，地理圍欄技術利用經度、緯度、高度數據定義無人機運行的三維空間邊界[35]，并設置禁止飛出(keep-in)和禁止飛入(keep-out)[36]兩種許可類型的地理圍欄(圖4)，分別用來確定無人機可飛區和禁飛區的三維虛擬邊界。地理圍欄技術既能對單一架次無人機進行約束，也允許多機同時獲得地理圍欄[37]，其應用可實現對城市低空空域無人機飛行的有效監管。

圖4 禁止飛入地理圍欄與禁止飛出地理圍欄示意圖

在城市低空空域可用空間識別中，keep-out地理圍欄是在低空障礙物周圍建立的一個大小為δm的緩沖區(無人機與低空障礙物的間隔標準)，用來表示包含低空障礙物的虛擬地理邊界；keep-in地理圍欄是在無人機周圍利用通過alpha形狀理論[38]建立一個半徑為r(m)的α球(無人機之間的間隔標準)，用來表示包含無人機的虛擬地理邊界(圖4)。將城市低空空域以米為單位離散為Nx×Ny×Nz三維規則笛卡爾網格，且Γ={glmn：1≤l≤Nx，1≤m≤Ny，1≤n≤Nz}，其中Γ表示包含所有長、寬、高分別為l、m、n的glmn笛卡爾網格集合，用來模擬被不同類型的地理圍欄定義后的低空空域。當glmn網格被低空障礙物占據時稱為占領，當glmn網格被keep-out地理圍欄或keep-in地理圍欄占用而不可用時稱為封閉，既未被占領也未被封閉的glmn網格即為無人機可用空間。首先對離散空域進行判定，即

(1)

(2)

式(2)中：U(h;δ,r)為空域可用空間比例，表示空域可用空間的使用程度。V(h;δ,r)表示城市低空空域可用空間總量(m3)，具體計算公式為

V(h;δ,r)=∑cell(glmn;δ,r), 1≤l≤Nx,

1≤m≤Ny, 1≤n≤Nz

(3)

式(3)中：h表示無人機飛行高度，m。

2.2 沖突檢測與解決模型

沖突檢測與解決(conflict detection and resolution modeling methods, CD&R算法)建模方法是針對無人機的飛行速度與方向建立的碰撞風險計算模型，通過分析無人機飛行安全指標[22]進行城市低空空域容量評估。CD&R算法定義了一個任何無人機都應該遠離另一無人機外圍的最小隔離區域Z(半徑為r、高度為h的圓柱體)(圖5)，第一個無人機X進入第二個無人機X0的最小隔離區域Z的概率為碰撞風險(z)，即X移動至X′后則具有碰撞風險[23]。

圖5 CD&R算法最小隔離區域Z示意圖

在碰撞風險的計算中，安全指標主要表現為無人機飛行過程中可接受的安全間隔，其最小極限值是0.001 km[39]。不同飛行速度與方向下無人機的碰撞風險z為

(4)

式(4)中：N為無人機數量，架次；R為最小安全間隔，km；V(h;δ,r)為被評估城市低空空域可用空間總量，km3；t為統計時間內所有無人機飛行總時間，h；α為飛行方向，(°)；ω為無人機飛行速度，km/h。一次碰撞視為2次飛行事故，根據式(3)得到基于碰撞風險的城市低空空域容量S(架次/h)為

(5)

式(5)中：v為無人機飛行體積，km3；T為被評估時間，h。

2.3 數據來源與指標選擇

基于數據可獲取性以及結果可視化原則，選擇北京市35 km×30 km范圍的主城區為研究區域，具體經緯位置為39.76°N～40.04°N、116.16°E～116.57°E(圖6)，數據來源于中國科學院資源環境數據云平臺。該區域具有城市多用途開發的典型性，城市用地包含商業、住宅等多種類型建筑用地，以及城市公園綠地等公共服務用地，是研究城市內部低空空域容量差異的理想區域。對所選區域1 000 m以下空域離散為單位為1 m的三維規則網格，得到35 000×30 000×1 000的笛卡爾網格，利用地理圍欄技術進行其城市區域真實三維可用空間識別。北京市主城區低空空域容量評估所需指標有3個，包括被評估城市低空空域體積、碰撞風險以及無人機體積。被評估低空空域體積指標數據來源于式(2)結果，即選取35 km×30 km×1 km范圍內所有計算所得城市低空空域可用空間；碰撞風險指標以ICAO設定的低空空域最低安全事故率(1.5×10-8起事故/飛行小時)為基準，通過比較城市低空空域內無人機碰撞風險(架次/h，一次碰撞被認定為發生了2架次通用航空器損毀，即2起事故)與城市低空空域最低安全事故率的關系而確定空域容量狀況；無人機體積指標選取消費級無人機中市場份額最高的無人機型號[40]——Phantom3作為評估依據，其體積為0.08 m3。

圖6 研究區概況

3 結果分析

3.1 基于地理圍欄技術的城市低空空域可用空間使用比例模擬結果分析

通過北京市低空空域可用空間比例U(h;δ,r)隨h、δ、r變化關系發現，地理圍欄技術具有城市低空空域容量評估的有效性，keep-out、keep-in地理圍欄模擬結果有差異。具體看，keep-out、keep-in地理圍欄模擬的空域可用空間比例分別在[72%,100%][83%,100%]區間范圍內(圖7)，兩種地理圍欄模擬結果在飛行高度h≤40 m時，低空空域可用空間比例隨著飛行高度增加持續增加；h≥40 m時，低空空域可用空間比例隨著飛行高度增長幅度明顯減小。如keep-out地理圍欄的模擬結果為，當h=20 m時，U(h;50,0)、U(h;40,0)、U(h;30,0)、U(h;20,0)、U(h;10,0)5種條件下的低空空域可用空間比例分別為72.11%、75.51%、79.46%、84.18%、89.99%；當h=40 m時，5種條件的低空空域可用空間比例分別為85.65%、87.93%、90.41%、93.14%、95.96%；；當h=100 m時，5種條件的低空空域總體可用性為98.71%、98.98%、99.23%、99.47%、99.69%。

圖7 北京市低空空域可用空間使用比例

使用keep-out地理圍欄和keep-in地理圍欄進行城市低空空域可用空間比例模擬結果的評價效果存有差異。keep-out地理圍欄的評估結果層級遞進性更突出，但實測空域比較分散，空域容量損失率高；keep-in地理圍欄的評估結果精確度更高，識別狹小地理環境的能力更強，因而實測空域可用空間比例較大。主要因為keep-in地理圍欄建立的α球可有效識別、保留并連接了多條狹小走廊區域，使得其評估生成的空域容量更具連貫性，即使在最小間距為20 m或更低的海拔區域同樣可以支持無人機通行。

3.2 城市低空空域可用空間總量評估結果分析

北京市低空空域可用空間總量受到低空障礙物間隔標準與飛行高度的共同影響，隨飛行高度增加而增加。具體低空空域可用空間總量以δ=30 m、r=50 m和δ=50 m、r=50 m兩種情況展開計算。城市低空空域可用空間V(h;δ,r)隨h、δ、r變化的關系研究結果表明：

(1)城市低空空域可用空間受低空障礙物間隔標準δ影響，間隔標準越小，城市低空空域可用空間總量較大(圖8)，即當δ=30 m時，城市低空空域能夠同時容納無人機數量要大于δ=50 m，且飛行高度越低，此影響越大。

圖8 北京市主城區低空空域可用空間隨高度變化圖

(2)城市低空空域可用空間總量隨飛行高度增加而增加，即當h=20 m時，δ=30 m與δ=50 m的城市低空空域可用空間總量分別為834.33 km3和757.12 km3，占實測總空域的比例為79.5%和72.1%；h=100 m時，δ=30 m與δ=50 m的城市低空空域可用空間總量分別為1 041.91 km3和1 036.50 km3，分別占實測總空域的99.2%和98.7%。

北京市低空空域可用空間主要集中于城市交通干線，并呈現圈層式分布。通過分析城市低空空域可用空間總量隨高度變化分布情況(圖9)可以發現：

圖9 北京市主城區低空空域可用空間總量隨高度變化分布圖

(1)城市低空空域可用空間沿城市交通干線分布，當飛行高度h=20 m時，沿城市交通干線分布情況最為顯著；h=40 m時也較為明顯。但隨著飛行高度的增加，低空空域可用空間沿城市交通干線分布的趨勢相對減弱。

(2)城市低空空域可用空間由中心向外圍呈現圈層式分布，當飛行高度h=20 m時，城市低空空域可用空間集中于二環至五環之間，以及五環外圍，二環內區域的可用空間相對較分散；隨著飛行高度的增加，尤其在h=40、60、80 m時，城市低空空域可用空間逐步向城市二環外的區域聚集并逐步擴大，并在北京市主城區的東南和西北部高度集聚，主要因為東南地區主要分布有跨國公司總部，高層建筑少；西北區域多山脈，景區分布較多。當飛行高度h=120 m時，北京市主城區低空空域可用空間與城市外圍差別逐步弱化。

3.3 城市低空空域容量評估結果分析

北京市主城區與不同功能區的低空空域容量有差異。北京市主城區35 km×30 km范圍的低空空域容量為678架次/h。進一步，對北京市主城區內居住區、商業區、生態服務區3種不同類型功能區各選取3 km×4 km的城市低空空域容量進行了評估分析。功能區選取標準參考《城市用地分類與規劃建設用地標準》和《土地利用現狀分類》，具體選取商業區范圍為116.26°E～116.28°E，39.53°N～39.55°N，居住區范圍為116.23°E～116.25°E，39.48°N～39.50°N，生態服務區范圍為116.22°E～116.24°E，40.00°N～40.02°N(圖6)。結果顯示，3種功能區城市低空空域容量由大到小依次為生態服務區8架次/h，居住區7架次/h，商業區5架次/h。該結果也反映了3類區域的開發差異性。生態服務區主要作為北京市的綠化屏障和重要水資源涵養區，為限制高強度工業開發區域，平均海拔21.13 m[圖10(a)]，主要以環境優勢培育綠色休閑產業，因此低空空域凈空范圍較大。居住區的開發強度相對較高，是北京市相對重點開發區域，承載了北京最多人口，是商業和高端產業發展的主要區域，該區域內主要為民居樓宇，平均海拔31.85 m[圖10(b)]。商業區由于區域開發強度高，綜合實力強，區域內金融服務業、國家化商區分布密集，是北京國際化形象的主要代表區域，高層建筑密集且平均海拔93.55 m[圖10(c)]，因此城市低空空域容量較低。3類區域的定位和發展要求不同，在保證區域活力的同時進行差異化區域格局構建，并盡力通過對空間的有序開發達到區域空間均衡。但是反映到空域上，空間均衡體現相對不明顯。此處也正是地理學與空域學的和而不同之處，空域更具有空間連續性表征，但卻需要借助地理要素的非均衡性充分反映。

圖10 北京市不同功能區低空空域容量示意圖

4 結論

分析梳理了城市低空空域容量評估的3個關鍵問題，并以北京市主城區為例，使用地理圍欄技術和CD&R模型對其城市低空空域可用空間和空域容量分別進行了識別和評估。研究發現：

(1)地理圍欄技術具有城市低空空域容量評估的有效性，keep-out、keep-in地理圍欄模擬的空域可用空間比例分別在[72%,100%][83%,100%]區間范圍內，兩種地理圍欄模擬結果在飛行高度h≤40 m時，空域可用空間比例隨著飛行高度增加持續增加；h≥40 m時，空域可用空間比例隨著飛行高度增長幅度明顯減小。keep-out地理圍欄的評估結果層級遞進性更突出，但實測空域比較分散，空域損失率高；keep-in地理圍欄的評估結果精確度更高，識別狹小地理環境的能力更強，實測空域可用空間比例較大。

(2)北京市低空空域可用空間總量受到低空障礙物間隔標準與飛行高度的共同影響，隨飛行高度增加而增加。城市低空空域可用空間沿城市交通干線分布，且飛行高度越低表現越明顯；可用空間由中心向外圍呈現圈層式分布，且主城區東南區和西北部的低空空域可用空間最大；當飛行高度超過120 m時，北京市主城區低空空域可用空間與城市外圍差別逐步弱化。

(3)北京市主城區35 km×30 km范圍的低空空域容量為678架次/h。北京市3種功能區3 km×4 km低空空域容量由大到小依次排列為生態服務區8架次/h，居住區7架次/h，商業區5架次/h，反映出空域更具有空間連續性表征，但卻可以借助地理要素的非均衡性充分反映。

低空空域容量評估是地理學與空域學交叉的研究議題。一方面，低空空域作為一種有限的自然資源，其容量評估也是地理學有關資源及其空間研究的重要組成部分。低空空域容量評估研究既包含對低空空域空間可用性的判斷，也確定了無人機的具體飛行空間和容量大小。目前，低空空域容量評估研究還處于探索階段，其理論研究與方法研究還未形成體系，通過引入地理學的方法與技術，不僅豐富了低空空域容量評估的方法與內涵，增加低空空域容量評估的多樣性；也拓展了地理學研究空間與應用領域，從傳統的陸域研究向空域深入。另一方面，低空空域容量評估受低空復雜地理環境的直接影響，其評估過程中必須考慮地理要素的影響，使用地理學方法與視角，更充分判定低空空域的可用空間，進一步弱化空域空間邊界的模糊性，對有效統籌地理條件與空域開發的資源價值、揭示空域形態特征，以及改善宏觀的低空空域資源利用與管理具有重要意義。

在進行低空空域運行容量評估時進行了單一條件下的理論模擬，未考慮無人機運行動態因素的實時變化，未來將細化地理環境條件影響，并進一步開展低空空域容量的深入模擬評估。