LIM模型辅助“规画”研究—秦始皇陵园数字地面模型构建实验

郭湧 武廷海＊ 王学荣

1 风景园林信息模型释义

风景园林信息模型（Landscape Information Modeling，简称LIM）是指创建并利用数字化模型对风景园林工程项目的设计、建造和运营全过程进行管理和优化的过程、方法和技术。LIM是BIM技术面向风景园林条件和要素的应用。

由于园林行业与建筑行业在专业内涵、项目周期、技术需求等方面具有明显区别[1]，因此LIM与BIM相比具有明显的自身专业特点。例如，LIM模型通常以地理信息和地形测绘数据作为模型构建的基础，地理信息是LIM的关键组成要素之一。同时，LIM也具有BIM技术的一般性特点，例如强大的即时可视化能力、多专业协同和数据共享的能力以及通过设计软件界面对数据进行操作的能力。这些功能特点与GIS具有明显的区别。

本文研究对象为秦始皇陵，其规划布局结构与多尺度的自然地理景观单元、山水格局紧密关联，其工程建造涉及地上地下多个维度。据此特点，实验在LIM技术思路的统领下，选用Autodesk InfraWorks和Civil 3D组合应用的技术路径构建LIM模型。

2 实验背景：自然地貌与秦始皇陵园布局关系不明

秦始皇陵是中国历史上第一个皇帝嬴政的陵墓，以其恢弘的规模、丰富的宝藏被誉为世界八大奇迹之一，它是代表人类创造性才能的杰作。秦始皇陵遗址可从“陵区”、“陵园”、“陵墓”3个空间层次加以认识。秦始皇陵区指秦始皇陵遗址分布区的整体范围：“南至骊山、北至新丰塬下、东至代王街办、西至临潼城区，南北、东西距离约7.5km，面积约56km2，其中遗址密集区近20km2①。秦始皇陵园遗存指上述陵区范围的核心组成部分，占地面积2.13km2，所在区域由呈“回”字形的两重城垣所界定，城垣呈南北向的长方形。居于城垣中心的是封土和地宫部分，即秦始皇陵墓。陵墓区面积为0.25km2。

陵园部分是秦始皇陵国家考古遗址公园的主体，属于地表景观类遗址。地上遗存包括：景观构架（封土、城垣系统、门阙系统），礼制建筑系统（寝殿、便殿），管理服务系统（园寺吏舍遗址、飤官遗址），道路系统等。地下遗存包括：地宫（核心埋藏），陪葬坑系统（铜车马坑、珍禽异兽坑、马厩坑、石铠甲坑、K9901百戏俑坑、K0006文吏俑坑等），陪葬墓系统，阻排水系统等。

从20世纪初调查至今，围绕秦始皇陵开展的考古与研究已持续百余年，研究人员已经初步掌握了秦始皇陵园的基本情况，积累了丰富的基础资料，并初步完成了基于地理信息系统的数据库构建，以及相关的考古勘探、跟踪定位测绘、局部发掘试掘等工作。目前对于陵园空间遗存“可测量”的基本属性已经较为清楚。

现阶段，对陵区与周围山水形胜的内部关联和组织规律的研究仍有不足，尚缺乏对秦始皇陵区总体景观结构的系统认识。对陵区的空间组织和空间层级尚未形成统一认识。对于自然地貌与人工建构筑物的分布对应关系的认识程度仍待考古工作细化。

本次实验以秦始皇陵园国家考古遗址公园规划为契机，实验应用Autodesk Civil 3D和InfraWorks为平台构建秦始皇陵园的数字地面模型，并将其应用于“规画”研究，为风景园林信息模型的构建和应用探索发展路径。

3 实验目的：数字地面模型模拟地貌辅助“规画”研究

本次技术应用实验有以下2个方面的目的：验证LIM模型构建的技术路径，应用LIM模型辅助秦始皇陵“规画”研究。

1）应用Autodesk Civil 3D和InfraWorks等软件构建秦始皇陵园数字地面（DTM）模型，验证LIM模型构建所需要的软件功能和技术路径。

DTM是LIM模型不可或缺的构成要素。在面积达数平方千米到数百平方千米的尺度上考察景观单元的内涵时，DTM所反映的地形地貌成为LIM模型所表现的主要内容。实验通过多种地形数据的三维建模及模型融合，构建秦始皇陵园的DTM模型，以Autodesk Civil 3D 2015和InfraWorks LT为主要软件工具验证相关软件功能，并进行地形地貌分析、视觉效果模拟等模型应用。

2）应用风景园林信息模型辅助秦始皇陵园“规画”研究。

“规画”方法是一种认识古代城市空间结构形态及其形成规律的方法。该方法是在以古代城市视为历史文化研究对象，运用“地下之新材料”与“纸上材料”互相释证的“二重证据法”研究范式的基础上发展。“规画”方法重视“大地”在城市规划建设中的基础作用，将“大地”作为第三重证据，与历史文献记载、田野考古资料相结合，从古代“规划师”的角度，揭示古人如何基于城市的山川形胜与自然肌理，将城市与自然山水进行整体考虑和谋篇布局。

在“规画”研究的方法体系下，本文拟开展基于LIM的“大地”考察，通过构建陵园DTM模型为“规画”研究提供地理信息综合与分析、视觉景观模拟、水文动态模拟等支持。LIM模型的模拟与测量可以补充或验证现场田野调查结果，更加深入地揭示土地的特性及其承载的“规画”原理。

4 LIM模型构建过程：以Autodesk Civil 3D和InfraWorks融合地形信息

本实验中秦始皇陵LIM模型构建主要包括DTM构建、地面影像制备与配置以及模型要素融合3个步骤。

DTM构建采用3组不同精度数据。第1组数据为GDEM 30m分辨率DEM，来自中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站“地理空间数据云”（图1）。第2组数据为陵区区域DTM，应用Civil 3D处理1∶10 000测绘数据生成（图2）。第3组数据为陵园范围DTM，应用Civil 3D处理1∶500测绘数据生成（图3）。Civil 3D制备的DTM转置为IMX文件可直接加载到InfraWorks中。

1 在Autodesk InfraWorks LT操作界面中显示的GDEM 30m分辨率DEM三维模型的即时渲染效果The DEM with a resolution of GDEM 30m and real time 3D rendering effects displayed in the operational interface of Autodesk InfraWorks LT

2 Autodesk Civil 3D操作界面中显示的陵区范围DTM曲面The DTM surface of the entire area of the Mausoleum displayed in the operational interface of Autodesk Civil 3D

3 Autodesk Civil 3D操作界面中显示的陵园范围DTM曲面The DTM surface of the central area of the Mausoleum displayed in the operational interface of Autodesk Civil 3D

4 在Autodesk Ciivil 3D的在线地图中匹配地面影像范围To match the ground image map to the online map with Autodesk Civil 3D

本文的地面图像制备利用了可供公开下载的Google Earth卫星影像图。下载后的栅格图像在Civil 3D中通过在线地图（Bing Map）进行范围匹配，再应用Autodesk Raster Tools工具生成World File文件，完成地理位置的配置（图4）。这种地面图像的制备与配置方式，可拓展应用于任何栅格图像。例如，将设计总平面图进行地理坐标配置，与DEM融合，可作为在反映真实地理信息的三维模型中快速推敲设计方案的技术方法。

模型要素融合的步骤通过应用Autodesk InfraWorks完成。在InfraWorks中构建现状地形，需经过以下步骤：地面图像导入—数字地面模型导入—地物的导入或构建。需注意的是，最先导入的数据将定义InfraWorks模型的范围，因此应首先导入范围较大的地面图像。如果次序相反，可能造成地表图像无法加载的问题。依次导入汉中平面DEM数据，陵区范围和陵园范围的地面图像，在配置数据源时，应统一坐标系。在此，根据秦帝陵所在位置，将坐标系配置为Xian80.GK/CM-111E。完成地面图像的导入后，调整显示顺序。上述数据源都属于栅格文件，分辨率依次提高。将分辨率最高的图像置于最顶端，分辨率最低的置于最底端。完成栅格数据导入之后，依次导入数字地面模型的IMX文件，完成坐标配置并刷新显示。

在此过程中可能会出现DTM与地表图像存在位置偏移，无法融合的情况。当这种情况出现时，可以通过重新配置数据源,更改XYZ方向的偏移值实现数据源的位移，以此调整DTM或地表图像的位置。偏移值的确定需要比较现位置与目标位置的坐标。

完成数据源的调整与配置后，模型将融合地面图像与DTM，形成信息模型的基础。数据融合之后的信息模型综合了不同数据源的信息，在同一个模型中包含了多尺度的地理信息。从汉中平原整体一直到秦始皇陵园的场地，不同尺度对象的高程、土方、水文环境等分析工作都可以在此基础上直接进行。模型中各要素的地理信息均完整保留，且可以流畅进行跨尺度的模型即时渲染与浏览（图5～7）。

5 LIM模型辅助“规画”研究：第3重证据的数字模拟

为了探究秦始皇陵园的空间结构、形成规律和历史文化价值，规划团队以“考古资源阐释—历史文化价值发掘—展示规划”的模式开展工作，针对古代文献、考古发掘和规划设计方法等方面进行研究，通过应用古代城市都邑“规画”的方法揭示了秦始皇陵园的空间形成机制与过程。

规划形制研究成果揭示了秦始皇陵园规划的机制：在骊山北麓至渭河的南北方向上存在一个特殊的规划设计基准点（点O），该点位于吴西村南的夯土建筑基址。自该点观测骊山，骊山的整体轮廓一览无余，望峰的尖峰正位于视野中心，且骊山东西两端恰位于视野两端。该点南至骊山山脚与北至渭水的距离大致相等。以该点为圆心，该点至骊山山脚的距离为半径画圆所得范围为陵园的实际控制范围。在该范围内又可分为2个圆形地区，北侧小圆的圆心（M）即丽邑的大致位置，南侧小圆的圆心（N）即秦始皇陵园内外城的中心点。以该点为圆心，该点至骊山山脚的距离为半径画圆所得范围即秦始皇陵三重陵园的外围边界[2]（图8）。

5 同一个模型中呈现的不同尺度地理信息：以秦岭山脉为背景的汉中平原。远端相对独立、高度较低的山区为骊山Geographic information of different scales shown in one model: the plain of Hanzhong, with the Mountains of Qinling as the background. The mountain Lishan is shown in distance with a relatively independent appearance

6 同一个模型中呈现的不同尺度地理信息：以骊山为背景的秦始皇陵区。秦始皇陵园位于“骊山之阿”Geographic information of different scales shown in one model:the Mausoleum area with Mountain Lishan as the background. It is shown that the Mausoleum is in the arms of Mountain Lishan

7 同一个模型中呈现的不同尺度地理信息：以封土为核心的秦始皇陵园。秦始皇陵所在的鱼脊状地形清晰可见Geographic information of different scales shown in one model: the Mausoleum of Emperor Qin Shihuang with the mound at the center. It is clear that the topography of the Mausoleum is like the backbone of a fish

基于上述研究基础，遗址公园的展示规划的重点展示内容便可得以确定。

本文选取上述规划结构中的关键点，利用LIM模型进行视觉体验模拟。位于吴西村南部夯土基址的规划基准点是体验秦始皇陵空间规划机制的核心位置。

利用LIM模拟该点的视觉体验，证实了现场感知的视野范围，并可通过在模型中设置测距线的方法，将视界两端加以标记，将观测点和观察对象在空间中进行联系。这种关系可以体现在平面图中，进一步证实通过研究所揭示的规划结构具有准确性（图9～11）。

秦始皇陵的南北轴线在2.13km2的陵园范围内体现得最为清晰，门址、城垣、封土等一系列建构筑物与骊山北麓的山水形胜塑造了气势恢宏的陵园中轴线。轴线空间的展示是展示规划的重点内容。沿着中轴线自北向南，随着地势从渭水到骊山不断抬高，陵园景色步移景异，封土与望峰的关系也逐渐变化。

从陵园外城北门门址南望,视线因自然地形的高差而呈现仰视状态,封土被渐高的地表抬起。随着观察者与封土距离的逐渐缩短，封土与望峰的距离在视觉上显得更为接近。望峰与封土的对位关系显得更为清晰（图12）。

从陵园内城北门门址南望,观察者视点抬高,视线呈现平视状态。封土在较为平坦的周围地形映衬下形象突出,成为视觉的焦点。观察者与封土的距离进一步缩短,封土与望峰的距离在视觉上更为接近。望峰与封土的高度比例,在此视点观察接近 2∶1，望峰的宽度与封土的宽度几乎相等（图13）。

从陵园内城东西隔墙中部建筑基址南望，观察者视点进一步抬高，因抵近封土视线呈现仰视状态。封土占据全部视野，形象突出。封土与望峰在视觉上完全重合，望峰的尖峰与封土的顶端恰好重合，浑然一体。如果没有高大雪松的视觉遮蔽, 则可以感受到封土延展的坡度与骊山山体轮廓的对应关系（图14）。

自北向南一系列空间节点上的视觉体验可以感受到骊山与封土间明显存在的轴线对位关系，以及随着视点和视线在轴线上变化而形成的景观控制措施。

在上述视觉体验模拟中，模型中的模拟场景能够做到与现场照片对应，而且DTM模型避免了地表植被和建构筑物对视线的遮挡，能够更为清晰地反映地形地貌关系，尤其是封土与望峰在不同视点的对应关系。这有助于分析和认识现场视觉景观的成因。同时应该看到视觉体验模拟的真实度直接取决于模型精度。为实现更为理想的模拟效果，本文模型的精度需要进一步提升。

6 LIM模型承载想象复原：封土建造土方量模拟估算

秦始皇陵封土和地宫承载了帝陵的核心历史文化价值，利用LIM模型可以通过管理场地信息和构建三维模型计算封土的土方量，复原地宫的构造结构，辅助规划设计人员深入认识其建造过程和文化价值。具体而言，可以通过在InfraWorks模型中利用地面覆盖信息的赋值和操作实现土方工程模拟，并通过导入SketchUp三维模型在模型中综合地宫的空间信息。

8 秦始皇陵园“规画”形制示意图The diagram of the planning structure of the Mausoleum of Emperor Qin Shihuang

9 自O点观察骊山的视觉效果，红色测距线用于视点的定位The perspective from the point O to Mountain Lishan and the position of the observing point shown as the end of two red distance-detecting lines

10 观测点在模型中的位置The position of the observing point shown in the model

11吴西村南夯土建筑基址南望骊山的现场照片，背景山脉为骊山The picture with Mountain Lishan as the background, taken from the base of rammed earth construction relics at south of the village Wuxi

12 外城北门门址望向封土的视觉体验模拟Visual simulation from the north gate of the outer wall towards the Mausoleum mound

13 内城北门门址望向封土的视觉体验模拟Visual simulation from the north gate of the inner wall towards the Mausoleum mound

14 内城隔墙中部建筑基址处望向封土的视觉体验模拟Visual simulation from the center of the inner city towards the Mausoleum mound

封土是秦始皇陵园的空间焦点，在秦始皇陵园的考古遗址中，封土无疑是代表了秦始皇陵形象的最为核心的遗存。秦始皇陵封土南北长515m，东西宽485m，最高点海拔高度531m。其外观具有高低不同的3层台地。在20世纪初的照片资料中仍能清晰分辨出3层台地的轮廓。由于封土上现在生长了茂密桧柏石榴混交林，3层台地轮廓已不明显，呈覆斗形。

地宫是整个秦始皇陵工程最为核心的部分。根据秦始皇陵地宫地球物理探测成果，地宫位于封土堆中部下方，开挖范围主体东西长170m，南北宽约145m，开挖范围主体和墓室均呈矩形。封土堆中细夯土墙东西长约145m，南北宽约125m，高约30m。石质宫墙顶深约469m（海拔高程），高约14m，宽约8m；东西长145m，南北宽125m。石质宫墙之上的细夯土墙与石质宫墙位置、范围基本一致，高约30m。墓室位于地宫中央，顶深约475m（海拔高程），高15m左右；东西长80m，南北宽50m，主体尚未完全坍塌[3]。

2 000多年历史的阻排水系统至今仍发挥着阻挡地下水进入地宫的功能。该系统由东、西2段组成，东段阻水设施位于陵园封土东、南、西三侧，由平面略呈“U”形的阻水渠组成，阻水渠位于封土之下；西段为排水设施，由位于陵墓封土西侧的眀井暗渠组成。阻水设施全长778m，均以质地细密的青膏泥夯填，上层则以填土夯筑[4]。

根据考古资料应用SketchUp构建地宫的主要结构。完成三维模型构建后将文件导出为DAE文件，配置地理位置加载到InfraWorks模型中，与地形曲面相融合（图15～19）。

利用LIM模型进行地宫建造过程的想象复原，首先根据现状等高线创建陵园工程之前的地表曲面。将该地表曲面加载到地形模型中形成原始地面模型（图20）。地宫工程的土方挖方量和封土工程的土方填方量计算都以该曲面为参照曲面。根据考古勘探资料和地球物理探测结果确定地宫的平面位置。为该位置添加地面覆盖信息。编辑该信息使地表下沉至海拔455m高度处作为地宫工程的挖方停止处高程（图21）。该高程根据地宫石质宫墙顶深469m，宫墙高14m这一信息推算而来。完成操作后，模型中呈现地宫的基坑。此时的挖方量为1 662 726.5m3。

再次编辑地形曲面的地面覆盖信息，模拟封土的填方过程完成封土填方。关于秦始皇陵的封土高度，根据文献分析，可认为是“五十丈”。据《汉书·楚元王传》载，刘向曰：“上崇山坟，其高五十余丈，周回五里有余”；《三辅故事》载：“始皇葬骊山，起陵高五十丈”（秦陵“五十丈”约120m）。以吴西村南夯土基址为规划基准点，在模型中测得该点海拔高度为425m。在该点海拔高度基础上增加120m得到的高程是海拔545m。该高程较目前封土最高点高程531m高14m。按此高度设置封土顶点高程，按原坡度放坡完成封土填方（图22）。此时填方量为2 295 958.5m3。根据模拟结果，秦始皇陵封土和地宫工程中需要进土633 232m3。

15 地宫SketchUp模型SketchUp model of the underground palace

16 封土模型The model of the mound

17 地宫与阻排水渠Underground palace and the drainage system

18 封土与地宫的关系The relationship between the mound and the underground palace

19 地下阻排水系统，地宫与五岭防洪堤：五岭防洪堤与地下阻排水系统保护地宫免于山洪威胁The simulation of the original ground of the Mausoleum of Emperor Qin Shihuang

20 秦始皇陵园原始地形模拟The simulation of the original ground of the Mausoleum of Emperor Qin Shihuang

21 从秦始皇陵原始地形到地宫底部的挖方模拟The simulation of the cut and fill from the original ground to the bottom of the underground palace

22从秦始皇陵原始地形到海拔545m的封土填方模拟The simulation of the cut and fill from the original ground to the top of the mound with the elevation of 545m

本实验体现了LIM模型多源信息融合、模型即时渲染、数据互动操作的特点。模型不仅用于场地空间形态的可视化表现，而且基于语义信息与几何模型的关联可以在规划设计过程中即时定量掌握场地的各种特征[5]。在本实验中，地宫与封土的空间关系得以呈现，封土和地宫工程中土方的挖填方量得到估算。

7 结语：作为研究工具的LIM模型

本文以DTM为主构建LIM模型，模拟秦始皇陵园所在区域的地理景观。数字化的模型提供了从山水格局分析到视觉体验验证的功能，为“规画”研究的理论推演提供了支持工具。同时，信息模型具有场地信息管理的优势，不仅可以展示现状地形的情况，而且可以对历史环境和过程进行模拟。随着技术进一步快速发展，作为信息载体的LIM模型对地理景观的状态与过程模拟将更为准确与细致，这些特征使其成为辅助“规画”研究的有效工具。

注释：

①参见《秦始皇陵保护规划》。

②图1～7，9～10，12～22为作者自绘，图8引自参考文献[2]，图11～14中现场照片为作者拍摄。

[1]钟继涛，李雷. 我国园林行业建筑信息模型发展前景探讨[J].风景园林，2012（1）: 91-94.

Zhong Jitao, Li Lei. Prospects for the Development of BIM in LA Industry in China[J]. Landscape Architecture, 2012(1): 91-94.

[2]武廷海，王学荣. 秦始皇陵规画初探[J].城市与区域规划研究，2015（2）：132-187.Wu Tinghai, Wang Xuerong. Research on Plan of Mausoleum of the First Qin Emperor[J]. Journal of Urban and Regional Planning, 2015(2)：132-187.

[3]刘士毅.秦始皇陵地宫地球物理探测成果与技术[M].北京：地质出版社，2005.Liu Shiyi. Geophysical Exploration for the Underground Palace of Emperor Qin Shi Huang Mausoleum[M]. Beijing:Geological Publishing House, 2005.

[4]陕西省考古研究所, 秦始皇兵马俑博物馆.秦始皇陵园2000年度勘探简报[J].考古与文物，2002（2）：3-15.Shaanxi Institute of Archaeology, Museum of the Terra-cotta Warriors and Horses of Qin Shihuang. Annual Report on the Exploration of Mausoleum of Emperor Qin Shihuang in 2000[J]. Archaeology and Cultural Relics, 2002 (2) :3-15.

[5]郭湧，孙楠.风景园林信息模型语义信息框架构建的技术路线刍议[C]//数字景观：中国第二届数字景观国际论坛，2015.Guo Yong, Sun Nan. A Preliminary Research on the Technical Approach of the Establishment of Semantic Framework for Landscape Information Modeling[C]//Digital Landscape Architecture: the 2nd International Digital Landscape Seminar in China, 2015.