LIM模型輔助“規(guī)畫”研究—秦始皇陵園數(shù)字地面模型構建實驗

郭湧 武廷海＊ 王學榮

1 風景園林信息模型釋義

風景園林信息模型（Landscape Information Modeling，簡稱LIM）是指創(chuàng)建并利用數(shù)字化模型對風景園林工程項目的設計、建造和運營全過程進行管理和優(yōu)化的過程、方法和技術。LIM是BIM技術面向風景園林條件和要素的應用。

由于園林行業(yè)與建筑行業(yè)在專業(yè)內涵、項目周期、技術需求等方面具有明顯區(qū)別[1]，因此LIM與BIM相比具有明顯的自身專業(yè)特點。例如，LIM模型通常以地理信息和地形測繪數(shù)據(jù)作為模型構建的基礎，地理信息是LIM的關鍵組成要素之一。同時，LIM也具有BIM技術的一般性特點，例如強大的即時可視化能力、多專業(yè)協(xié)同和數(shù)據(jù)共享的能力以及通過設計軟件界面對數(shù)據(jù)進行操作的能力。這些功能特點與GIS具有明顯的區(qū)別。

本文研究對象為秦始皇陵，其規(guī)劃布局結構與多尺度的自然地理景觀單元、山水格局緊密關聯(lián)，其工程建造涉及地上地下多個維度。據(jù)此特點，實驗在LIM技術思路的統(tǒng)領下，選用Autodesk InfraWorks和Civil 3D組合應用的技術路徑構建LIM模型。

2 實驗背景：自然地貌與秦始皇陵園布局關系不明

秦始皇陵是中國歷史上第一個皇帝嬴政的陵墓，以其恢弘的規(guī)模、豐富的寶藏被譽為世界八大奇跡之一，它是代表人類創(chuàng)造性才能的杰作。秦始皇陵遺址可從“陵區(qū)”、“陵園”、“陵墓”3個空間層次加以認識。秦始皇陵區(qū)指秦始皇陵遺址分布區(qū)的整體范圍：“南至驪山、北至新豐塬下、東至代王街辦、西至臨潼城區(qū)，南北、東西距離約7.5km，面積約56km2，其中遺址密集區(qū)近20km2①。秦始皇陵園遺存指上述陵區(qū)范圍的核心組成部分，占地面積2.13km2，所在區(qū)域由呈“回”字形的兩重城垣所界定，城垣呈南北向的長方形。居于城垣中心的是封土和地宮部分，即秦始皇陵墓。陵墓區(qū)面積為0.25km2。

陵園部分是秦始皇陵國家考古遺址公園的主體，屬于地表景觀類遺址。地上遺存包括：景觀構架（封土、城垣系統(tǒng)、門闕系統(tǒng)），禮制建筑系統(tǒng)（寢殿、便殿），管理服務系統(tǒng)（園寺吏舍遺址、飤官遺址），道路系統(tǒng)等。地下遺存包括：地宮（核心埋藏），陪葬坑系統(tǒng)（銅車馬坑、珍禽異獸坑、馬廄坑、石鎧甲坑、K9901百戲俑坑、K0006文吏俑坑等），陪葬墓系統(tǒng)，阻排水系統(tǒng)等。

從20世紀初調查至今，圍繞秦始皇陵開展的考古與研究已持續(xù)百余年，研究人員已經(jīng)初步掌握了秦始皇陵園的基本情況，積累了豐富的基礎資料，并初步完成了基于地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫構建，以及相關的考古勘探、跟蹤定位測繪、局部發(fā)掘試掘等工作。目前對于陵園空間遺存“可測量”的基本屬性已經(jīng)較為清楚。

現(xiàn)階段，對陵區(qū)與周圍山水形勝的內部關聯(lián)和組織規(guī)律的研究仍有不足，尚缺乏對秦始皇陵區(qū)總體景觀結構的系統(tǒng)認識。對陵區(qū)的空間組織和空間層級尚未形成統(tǒng)一認識。對于自然地貌與人工建構筑物的分布對應關系的認識程度仍待考古工作細化。

本次實驗以秦始皇陵園國家考古遺址公園規(guī)劃為契機，實驗應用Autodesk Civil 3D和InfraWorks為平臺構建秦始皇陵園的數(shù)字地面模型，并將其應用于“規(guī)畫”研究，為風景園林信息模型的構建和應用探索發(fā)展路徑。

3 實驗目的：數(shù)字地面模型模擬地貌輔助“規(guī)畫”研究

本次技術應用實驗有以下2個方面的目的：驗證LIM模型構建的技術路徑，應用LIM模型輔助秦始皇陵“規(guī)畫”研究。

1）應用Autodesk Civil 3D和InfraWorks等軟件構建秦始皇陵園數(shù)字地面（DTM）模型，驗證LIM模型構建所需要的軟件功能和技術路徑。

DTM是LIM模型不可或缺的構成要素。在面積達數(shù)平方千米到數(shù)百平方千米的尺度上考察景觀單元的內涵時，DTM所反映的地形地貌成為LIM模型所表現(xiàn)的主要內容。實驗通過多種地形數(shù)據(jù)的三維建模及模型融合，構建秦始皇陵園的DTM模型，以Autodesk Civil 3D 2015和InfraWorks LT為主要軟件工具驗證相關軟件功能，并進行地形地貌分析、視覺效果模擬等模型應用。

2）應用風景園林信息模型輔助秦始皇陵園“規(guī)畫”研究。

“規(guī)畫”方法是一種認識古代城市空間結構形態(tài)及其形成規(guī)律的方法。該方法是在以古代城市視為歷史文化研究對象，運用“地下之新材料”與“紙上材料”互相釋證的“二重證據(jù)法”研究范式的基礎上發(fā)展?！耙?guī)畫”方法重視“大地”在城市規(guī)劃建設中的基礎作用，將“大地”作為第三重證據(jù)，與歷史文獻記載、田野考古資料相結合，從古代“規(guī)劃師”的角度，揭示古人如何基于城市的山川形勝與自然肌理，將城市與自然山水進行整體考慮和謀篇布局。

在“規(guī)畫”研究的方法體系下，本文擬開展基于LIM的“大地”考察，通過構建陵園DTM模型為“規(guī)畫”研究提供地理信息綜合與分析、視覺景觀模擬、水文動態(tài)模擬等支持。LIM模型的模擬與測量可以補充或驗證現(xiàn)場田野調查結果，更加深入地揭示土地的特性及其承載的“規(guī)畫”原理。

4 LIM模型構建過程：以Autodesk Civil 3D和InfraWorks融合地形信息

本實驗中秦始皇陵LIM模型構建主要包括DTM構建、地面影像制備與配置以及模型要素融合3個步驟。

DTM構建采用3組不同精度數(shù)據(jù)。第1組數(shù)據(jù)為GDEM 30m分辨率DEM，來自中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心國際科學數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站“地理空間數(shù)據(jù)云”（圖1）。第2組數(shù)據(jù)為陵區(qū)區(qū)域DTM，應用Civil 3D處理1∶10 000測繪數(shù)據(jù)生成（圖2）。第3組數(shù)據(jù)為陵園范圍DTM，應用Civil 3D處理1∶500測繪數(shù)據(jù)生成（圖3）。Civil 3D制備的DTM轉置為IMX文件可直接加載到InfraWorks中。

1 在Autodesk InfraWorks LT操作界面中顯示的GDEM 30m分辨率DEM三維模型的即時渲染效果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操作界面中顯示的陵區(qū)范圍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操作界面中顯示的陵園范圍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的在線地圖中匹配地面影像范圍To match the ground image map to the online map with Autodesk Civil 3D

本文的地面圖像制備利用了可供公開下載的Google Earth衛(wèi)星影像圖。下載后的柵格圖像在Civil 3D中通過在線地圖（Bing Map）進行范圍匹配，再應用Autodesk Raster Tools工具生成World File文件，完成地理位置的配置（圖4）。這種地面圖像的制備與配置方式，可拓展應用于任何柵格圖像。例如，將設計總平面圖進行地理坐標配置，與DEM融合，可作為在反映真實地理信息的三維模型中快速推敲設計方案的技術方法。

模型要素融合的步驟通過應用Autodesk InfraWorks完成。在InfraWorks中構建現(xiàn)狀地形，需經(jīng)過以下步驟：地面圖像導入—數(shù)字地面模型導入—地物的導入或構建。需注意的是，最先導入的數(shù)據(jù)將定義InfraWorks模型的范圍，因此應首先導入范圍較大的地面圖像。如果次序相反，可能造成地表圖像無法加載的問題。依次導入漢中平面DEM數(shù)據(jù)，陵區(qū)范圍和陵園范圍的地面圖像，在配置數(shù)據(jù)源時，應統(tǒng)一坐標系。在此，根據(jù)秦帝陵所在位置，將坐標系配置為Xian80.GK/CM-111E。完成地面圖像的導入后，調整顯示順序。上述數(shù)據(jù)源都屬于柵格文件，分辨率依次提高。將分辨率最高的圖像置于最頂端，分辨率最低的置于最底端。完成柵格數(shù)據(jù)導入之后，依次導入數(shù)字地面模型的IMX文件，完成坐標配置并刷新顯示。

在此過程中可能會出現(xiàn)DTM與地表圖像存在位置偏移，無法融合的情況。當這種情況出現(xiàn)時，可以通過重新配置數(shù)據(jù)源,更改XYZ方向的偏移值實現(xiàn)數(shù)據(jù)源的位移，以此調整DTM或地表圖像的位置。偏移值的確定需要比較現(xiàn)位置與目標位置的坐標。

完成數(shù)據(jù)源的調整與配置后，模型將融合地面圖像與DTM，形成信息模型的基礎。數(shù)據(jù)融合之后的信息模型綜合了不同數(shù)據(jù)源的信息，在同一個模型中包含了多尺度的地理信息。從漢中平原整體一直到秦始皇陵園的場地，不同尺度對象的高程、土方、水文環(huán)境等分析工作都可以在此基礎上直接進行。模型中各要素的地理信息均完整保留，且可以流暢進行跨尺度的模型即時渲染與瀏覽（圖5～7）。

5 LIM模型輔助“規(guī)畫”研究：第3重證據(jù)的數(shù)字模擬

為了探究秦始皇陵園的空間結構、形成規(guī)律和歷史文化價值，規(guī)劃團隊以“考古資源闡釋—歷史文化價值發(fā)掘—展示規(guī)劃”的模式開展工作，針對古代文獻、考古發(fā)掘和規(guī)劃設計方法等方面進行研究，通過應用古代城市都邑“規(guī)畫”的方法揭示了秦始皇陵園的空間形成機制與過程。

規(guī)劃形制研究成果揭示了秦始皇陵園規(guī)劃的機制：在驪山北麓至渭河的南北方向上存在一個特殊的規(guī)劃設計基準點（點O），該點位于吳西村南的夯土建筑基址。自該點觀測驪山，驪山的整體輪廓一覽無余，望峰的尖峰正位于視野中心，且驪山東西兩端恰位于視野兩端。該點南至驪山山腳與北至渭水的距離大致相等。以該點為圓心，該點至驪山山腳的距離為半徑畫圓所得范圍為陵園的實際控制范圍。在該范圍內又可分為2個圓形地區(qū)，北側小圓的圓心（M）即麗邑的大致位置，南側小圓的圓心（N）即秦始皇陵園內外城的中心點。以該點為圓心，該點至驪山山腳的距離為半徑畫圓所得范圍即秦始皇陵三重陵園的外圍邊界[2]（圖8）。

5 同一個模型中呈現(xiàn)的不同尺度地理信息：以秦嶺山脈為背景的漢中平原。遠端相對獨立、高度較低的山區(qū)為驪山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 同一個模型中呈現(xiàn)的不同尺度地理信息：以驪山為背景的秦始皇陵區(qū)。秦始皇陵園位于“驪山之阿”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 同一個模型中呈現(xiàn)的不同尺度地理信息：以封土為核心的秦始皇陵園。秦始皇陵所在的魚脊狀地形清晰可見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

基于上述研究基礎，遺址公園的展示規(guī)劃的重點展示內容便可得以確定。

本文選取上述規(guī)劃結構中的關鍵點，利用LIM模型進行視覺體驗模擬。位于吳西村南部夯土基址的規(guī)劃基準點是體驗秦始皇陵空間規(guī)劃機制的核心位置。

利用LIM模擬該點的視覺體驗，證實了現(xiàn)場感知的視野范圍，并可通過在模型中設置測距線的方法，將視界兩端加以標記，將觀測點和觀察對象在空間中進行聯(lián)系。這種關系可以體現(xiàn)在平面圖中，進一步證實通過研究所揭示的規(guī)劃結構具有準確性（圖9～11）。

秦始皇陵的南北軸線在2.13km2的陵園范圍內體現(xiàn)得最為清晰，門址、城垣、封土等一系列建構筑物與驪山北麓的山水形勝塑造了氣勢恢宏的陵園中軸線。軸線空間的展示是展示規(guī)劃的重點內容。沿著中軸線自北向南，隨著地勢從渭水到驪山不斷抬高，陵園景色步移景異，封土與望峰的關系也逐漸變化。

從陵園外城北門門址南望,視線因自然地形的高差而呈現(xiàn)仰視狀態(tài),封土被漸高的地表抬起。隨著觀察者與封土距離的逐漸縮短，封土與望峰的距離在視覺上顯得更為接近。望峰與封土的對位關系顯得更為清晰（圖12）。

從陵園內城北門門址南望,觀察者視點抬高,視線呈現(xiàn)平視狀態(tài)。封土在較為平坦的周圍地形映襯下形象突出,成為視覺的焦點。觀察者與封土的距離進一步縮短,封土與望峰的距離在視覺上更為接近。望峰與封土的高度比例,在此視點觀察接近 2∶1，望峰的寬度與封土的寬度幾乎相等（圖13）。

從陵園內城東西隔墻中部建筑基址南望，觀察者視點進一步抬高，因抵近封土視線呈現(xiàn)仰視狀態(tài)。封土占據(jù)全部視野，形象突出。封土與望峰在視覺上完全重合，望峰的尖峰與封土的頂端恰好重合，渾然一體。如果沒有高大雪松的視覺遮蔽, 則可以感受到封土延展的坡度與驪山山體輪廓的對應關系（圖14）。

自北向南一系列空間節(jié)點上的視覺體驗可以感受到驪山與封土間明顯存在的軸線對位關系，以及隨著視點和視線在軸線上變化而形成的景觀控制措施。

在上述視覺體驗模擬中，模型中的模擬場景能夠做到與現(xiàn)場照片對應，而且DTM模型避免了地表植被和建構筑物對視線的遮擋，能夠更為清晰地反映地形地貌關系，尤其是封土與望峰在不同視點的對應關系。這有助于分析和認識現(xiàn)場視覺景觀的成因。同時應該看到視覺體驗模擬的真實度直接取決于模型精度。為實現(xiàn)更為理想的模擬效果，本文模型的精度需要進一步提升。

6 LIM模型承載想象復原：封土建造土方量模擬估算

秦始皇陵封土和地宮承載了帝陵的核心歷史文化價值，利用LIM模型可以通過管理場地信息和構建三維模型計算封土的土方量，復原地宮的構造結構，輔助規(guī)劃設計人員深入認識其建造過程和文化價值。具體而言，可以通過在InfraWorks模型中利用地面覆蓋信息的賦值和操作實現(xiàn)土方工程模擬，并通過導入SketchUp三維模型在模型中綜合地宮的空間信息。

8 秦始皇陵園“規(guī)畫”形制示意圖The diagram of the planning structure of the Mausoleum of Emperor Qin Shihuang

9 自O點觀察驪山的視覺效果，紅色測距線用于視點的定位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 觀測點在模型中的位置The position of the observing point shown in the model

11吳西村南夯土建筑基址南望驪山的現(xiàn)場照片，背景山脈為驪山The picture with Mountain Lishan as the background, taken from the base of rammed earth construction relics at south of the village Wuxi

12 外城北門門址望向封土的視覺體驗模擬Visual simulation from the north gate of the outer wall towards the Mausoleum mound

13 內城北門門址望向封土的視覺體驗模擬Visual simulation from the north gate of the inner wall towards the Mausoleum mound

14 內城隔墻中部建筑基址處望向封土的視覺體驗模擬Visual simulation from the center of the inner city towards the Mausoleum mound

封土是秦始皇陵園的空間焦點，在秦始皇陵園的考古遺址中，封土無疑是代表了秦始皇陵形象的最為核心的遺存。秦始皇陵封土南北長515m，東西寬485m，最高點海拔高度531m。其外觀具有高低不同的3層臺地。在20世紀初的照片資料中仍能清晰分辨出3層臺地的輪廓。由于封土上現(xiàn)在生長了茂密檜柏石榴混交林，3層臺地輪廓已不明顯，呈覆斗形。

地宮是整個秦始皇陵工程最為核心的部分。根據(jù)秦始皇陵地宮地球物理探測成果，地宮位于封土堆中部下方，開挖范圍主體東西長170m，南北寬約145m，開挖范圍主體和墓室均呈矩形。封土堆中細夯土墻東西長約145m，南北寬約125m，高約30m。石質宮墻頂深約469m（海拔高程），高約14m，寬約8m；東西長145m，南北寬125m。石質宮墻之上的細夯土墻與石質宮墻位置、范圍基本一致，高約30m。墓室位于地宮中央，頂深約475m（海拔高程），高15m左右；東西長80m，南北寬50m，主體尚未完全坍塌[3]。

2 000多年歷史的阻排水系統(tǒng)至今仍發(fā)揮著阻擋地下水進入地宮的功能。該系統(tǒng)由東、西2段組成，東段阻水設施位于陵園封土東、南、西三側，由平面略呈“U”形的阻水渠組成，阻水渠位于封土之下；西段為排水設施，由位于陵墓封土西側的眀井暗渠組成。阻水設施全長778m，均以質地細密的青膏泥夯填，上層則以填土夯筑[4]。

根據(jù)考古資料應用SketchUp構建地宮的主要結構。完成三維模型構建后將文件導出為DAE文件，配置地理位置加載到InfraWorks模型中，與地形曲面相融合（圖15～19）。

利用LIM模型進行地宮建造過程的想象復原，首先根據(jù)現(xiàn)狀等高線創(chuàng)建陵園工程之前的地表曲面。將該地表曲面加載到地形模型中形成原始地面模型（圖20）。地宮工程的土方挖方量和封土工程的土方填方量計算都以該曲面為參照曲面。根據(jù)考古勘探資料和地球物理探測結果確定地宮的平面位置。為該位置添加地面覆蓋信息。編輯該信息使地表下沉至海拔455m高度處作為地宮工程的挖方停止處高程（圖21）。該高程根據(jù)地宮石質宮墻頂深469m，宮墻高14m這一信息推算而來。完成操作后，模型中呈現(xiàn)地宮的基坑。此時的挖方量為1 662 726.5m3。

再次編輯地形曲面的地面覆蓋信息，模擬封土的填方過程完成封土填方。關于秦始皇陵的封土高度，根據(jù)文獻分析，可認為是“五十丈”。據(jù)《漢書·楚元王傳》載，劉向曰：“上崇山墳，其高五十余丈，周回五里有余”；《三輔故事》載：“始皇葬驪山，起陵高五十丈”（秦陵“五十丈”約120m）。以吳西村南夯土基址為規(guī)劃基準點，在模型中測得該點海拔高度為425m。在該點海拔高度基礎上增加120m得到的高程是海拔545m。該高程較目前封土最高點高程531m高14m。按此高度設置封土頂點高程，按原坡度放坡完成封土填方（圖22）。此時填方量為2 295 958.5m3。根據(jù)模擬結果，秦始皇陵封土和地宮工程中需要進土633 232m3。

15 地宮SketchUp模型SketchUp model of the underground palace

16 封土模型The model of the mound

17 地宮與阻排水渠Underground palace and the drainage system

18 封土與地宮的關系The relationship between the mound and the underground palace

19 地下阻排水系統(tǒng)，地宮與五嶺防洪堤：五嶺防洪堤與地下阻排水系統(tǒng)保護地宮免于山洪威脅The simulation of the original ground of the Mausoleum of Emperor Qin Shihuang

20 秦始皇陵園原始地形模擬The simulation of the original ground of the Mausoleum of Emperor Qin Shihuang

21 從秦始皇陵原始地形到地宮底部的挖方模擬The simulation of the cut and fill from the original ground to the bottom of the underground palace

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

本實驗體現(xiàn)了LIM模型多源信息融合、模型即時渲染、數(shù)據(jù)互動操作的特點。模型不僅用于場地空間形態(tài)的可視化表現(xiàn)，而且基于語義信息與幾何模型的關聯(lián)可以在規(guī)劃設計過程中即時定量掌握場地的各種特征[5]。在本實驗中，地宮與封土的空間關系得以呈現(xiàn)，封土和地宮工程中土方的挖填方量得到估算。

7 結語：作為研究工具的LIM模型

本文以DTM為主構建LIM模型，模擬秦始皇陵園所在區(qū)域的地理景觀。數(shù)字化的模型提供了從山水格局分析到視覺體驗驗證的功能，為“規(guī)畫”研究的理論推演提供了支持工具。同時，信息模型具有場地信息管理的優(yōu)勢，不僅可以展示現(xiàn)狀地形的情況，而且可以對歷史環(huán)境和過程進行模擬。隨著技術進一步快速發(fā)展，作為信息載體的LIM模型對地理景觀的狀態(tài)與過程模擬將更為準確與細致，這些特征使其成為輔助“規(guī)畫”研究的有效工具。

注釋：

①參見《秦始皇陵保護規(guī)劃》。

②圖1～7，9～10，12～22為作者自繪，圖8引自參考文獻[2]，圖11～14中現(xiàn)場照片為作者拍攝。

[1]鐘繼濤，李雷. 我國園林行業(yè)建筑信息模型發(fā)展前景探討[J].風景園林，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，王學榮. 秦始皇陵規(guī)畫初探[J].城市與區(qū)域規(guī)劃研究，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]劉士毅.秦始皇陵地宮地球物理探測成果與技術[M].北京：地質出版社，2005.Liu Shiyi. Geophysical Exploration for the Underground Palace of Emperor Qin Shi Huang Mausoleum[M]. Beijing:Geological Publishing House, 2005.

[4]陜西省考古研究所, 秦始皇兵馬俑博物館.秦始皇陵園2000年度勘探簡報[J].考古與文物，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，孫楠.風景園林信息模型語義信息框架構建的技術路線芻議[C]//數(shù)字景觀：中國第二屆數(shù)字景觀國際論壇，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.