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在明成祖迁都北京之前，明代曾经立安徽凤阳和江苏南京为京师，而之所以从凤阳迁都至南京，又从南京迁都至北京，最主要的当然是出于政治和军事方面的考虑，而政治和军事的考虑又是和环境方面的因素息息相关的。
据《明太祖实录》卷四十五记载，明洪武二年（1369）九月太祖诏诸老臣问以建都之地，群臣各抒己见，或言关中险固金城、天府之国，或言洛阳天地之中、四方朝贡，汴梁亦宋之旧京，又或言北平宫室完备，太祖最终认为：“临濠则前江后淮，以险可恃，以水可漕，朕欲以为中都，何如？群臣皆称善。至是，始命有司建置城池宫阙，如京师之制焉。”
明太祖之所以选临濠（即今之凤阳）立中都，主要是因为此处是他和不少同籍功臣的故乡，乃龙兴之地。自洪武二年九月“诏以临濠为中都”之后，皇城的营建工作就已大致展开，至洪武六年（1373）中都皇城则告基本建成，但洪武八年（1375）四月忽然以“劳费”为由“诏罢中都役作”
。明太祖洪武元年（1368）在应天称帝之后就开始在此改建皇宫和城墙，罢中都役作之后又加快了改建的工作，并最终于洪武十一年（1378）正式下诏以南京为京师。
明太祖放弃营建数年之久的中都，其理由是“劳费”，然而在营建中都期间这些费用都已支出，在中都营建完成之后忽然诏罢，其实还是出于政治和军事上的考虑。中都无法起到京师的作用，是和地处偏僻的环境息息相关的。此地多为平野，无险可资，无法和南京长江天堑相比，在此建都实无法起到首都应有的政治和军事中心的作用。且此时天下未定，中原尚未安稳，北方又有元朝残余势力的威胁，因此建都必须要在地理位置上能够解决上述严峻问题。刘基曾对太祖说“凤阳虽帝乡，然非天子所都之地”
，点明了罢建中都是必需的举措。但基于上述政治和军事的考虑，定都关中才是最佳的选择，明太祖在立中都之后仍念念不忘建都关中，在洪武二十四年（1391）还派太子朱标巡抚陕西，回来后言经略建都事，只是太子不久后即病亡，迁都之事才作罢而已。
洪武十一年（1378），明太祖正式下诏以南京为京师，定都问题在明初暂时得到解决。选择南京是在中都和西安之间的折中。南京是六朝古都，有王者之气，所在江南又是当时的经济中心，从地理环境来看比中都要优越许多。然而在南京建都也有一些不可忽视的问题。对明太祖来说，他最忌讳的问题不仅和政治、军事有关，也和风水问题有关。南京虽是当时的经济中心，但仍偏安一隅，从抗击元朝势力来看地理位置依然不便。太祖在南京称帝之前，自称吴王，以原江南行中书省为吴王府，并以吴王府为宫城。如果以原吴王府为基础扩建都城，那么在格局和形制上都不太适合天子的气象。但如果把新都建在从聚宝山到玄武湖六朝故都的轴线上，明太祖又忌讳“六朝国祚不永”，担心重蹈前朝命短的覆辙；而且从风水理论来看，此中轴线背靠玄武湖、面朝聚宝山，在此建都有悖于风水理论中背山面水的原则。因此，要建都南京，对太祖而言最要紧的是另辟佳地。《明太祖实录》卷二十一云：“初建康旧城，西北控大江，东进白下门外。距钟山既阔远，而旧内在城中，因元南台为宫，稍庳隘。上乃命刘基等卜地，定作新宫于钟山之阳，在旧城东白下门之外二里许，故增筑新城，东北尽钟山之趾，延亘周回凡五十余里，规制雄壮，尽据山川之胜焉。”
根据记载，新都之建立需规模宏壮，尽据山川之胜。明太祖命刘基等为新皇宫选址，最终卜址于钟山之阳，在六朝旧都之东，与玄武湖隔山相对。所卜之地原是燕雀湖所在，明太祖于是调集几十万民工和士兵填湖，为防止地基下沉，又打下木桩，上铺条石，用土分层夯实，再在上面建造宫殿。罢中都和以南京为京师之后，又陆陆续续对新宫进行了扩建，使之规模愈加宏阔。
南京宫城的格局，据《明史》卷六十八载，“吴元年作新内。正殿曰奉天殿，后曰华盖殿，又后曰谨身殿，皆翼以廊庑。奉天殿之前曰奉天门，殿左曰文楼，右曰武楼。谨身殿之后为宫，前曰乾清，后曰坤宁，六宫以次列。宫殿之外，周以皇城，城之门，南曰午门，东曰东华，西曰西华，北曰玄武”
。从宫城的整体形制来看，北靠钟山之阳，背倚富贵山，宫城内前方则有金水河，周围又有护城河，宫城四门，在中轴线上外朝依次分布奉天门和奉天殿、华盖殿、谨身殿三殿，内廷建乾清宫和坤宁宫二宫，左右则为六宫以次序列。这种靠山面水、三朝二宫的形制可以说奠定了后来北京紫禁城的基本格局。
明太祖虽然最终定都南京，并且为了避免重蹈六朝国祚不永的命运，另辟佳地建造新宫，但到了太祖晚年，建在燕雀湖上的宫城还是出现了有悖风水的严重问题。从风水学来看，帝王宫殿除了背山面水之外，还要形成北高南低的地势，才能国祚长久。南京宫城建在燕雀湖之上，虽然前期已打下木桩和条石进行加固，但宫城建成后还是出现了地基下沉的现象，造成了整个宫城南高北低、前昂后洼。这从风水学来说是非常不吉利的。明成祖朱棣最终决定迁都北京，南京宫城出现的这些环境方面的问题也是重要原因之一。
靖难之后，朱棣在南京登帝位，但他迁都北京的决心不减，各种迁都的工作实际上都已或明或暗地进行了。《明太宗实录》卷十六记永乐元年（1403）：“礼部尚书李至刚等言：‘自昔帝王，或起布衣平定天下，或由外藩入承大统，而于肇迹之地，皆有升崇。切见北平布政司，实皇上承运兴之地，宜遵太祖高皇帝中都之制，立为京都。’制曰：‘可，其以北平为北京。’”
明成祖迁都北京的原因十分明了，他原本是受封北京的燕王，北京是其龙兴之地，是其经营多年的大本营；南京虽为京师，但长居南京政治上受到掣肘，易变生肘腋。出于军事上的考虑，明太祖一直想定都关中，可以抵抗元朝残余势力，从这方面来看，迁都北京也是继承明太祖的遗志，也符合明朝长治久安的目标。
此种政治和军事上的考虑均涉及明代北京所处的重要的地理位置和环境因素。据清顾祖禹《读史方舆纪要》卷十一记载，北京历来为重要的政治军事要地：“府关山险峻，川泽流通，据天下之脊，控华夏之防，巨势强形，号称天府。”
从地理环境来看，北京位于华北平原北部，地势西北高而东南低，西部、北部和东北三面环山，东南则是缓缓向渤海倾斜的平原。北京西部是太行山余脉的西山，北部是燕山山脉的军都山。如上所说，在此建都相当于“据天下之脊，控夷夏之防”，其军事位置的重要性可见一斑。
然而，考虑到南京的政治势力和迁都的成本，明成祖想要弃南京而改造北京是一项异常艰巨的任务。“对永乐帝及其辅弼大臣来说，改造北京是一个非常艰巨的任务，同时也给黎民百姓增加了沉重的负担。元朝的某些城墙和宫殿虽然完整无损，但是城市的总格局必须变动，大部分兴建的新工程都要满足永乐帝的具体要求。由于这个区域缺乏一个能满足需要的经济基地，北京城就得依靠从东南各省用船运输大量粮食和供应。军事组织必须改组，以处理经济资源的这一全面的再分配。机构的安排尤其需要改变，这样就影响了南京和帝国其他各地的官署。迁都北京之举肯定是明代进行的最复杂和意义最为深远的帝国计划。”
建国初兴建中都和南京已耗费无数，此时再大举兴建北京势必会加剧黎民百姓的负担，而且南京方面反对迁都的势力依然十分强大。比如永乐元年（1403）五月，明成祖意欲将旧封国内国社、国稷升为太社、太稷，结果遭到礼部、太常会议的婉拒，认为古制别无两京并立太社、太稷之礼，这相当于暗中拒绝了明成祖定都北京的计划。另外也有不少在朝廷中有地位的大臣明确反对迁都，如明初“性刚鲠，慨然以天下为己任”的李时勉，在其《北京赋》中盛赞北京“右挟太行，左据碣石。背叠险兮重关，面平原兮广泽。宗恒岳其魏巍，镇医闾而奕奕。冠九州之形势，实为天府之国”
，但“成祖决计都北京，时方招徕远人。而时勉言营建之非，及远国入贡人不宜使群居辇下，忤帝意”
，由此可见明成祖迁都北京所面临的压力是很大的。
鉴于上述压力，永乐十四年（1416）之前迁都北京的工作实际上是在半公开的状态下进行的。永乐元年（1403）正月“以北平为北京”，二月“设北京留守行后军都督府、行部、国子监，改北平曰顺天府”，三月“督海运，饷辽东、北京，岁以为常”，八月“发流罪以下垦北京田”，又“徙直隶苏州等十郡、浙江等九省富民实北京”；永乐二年（1404）九月又“徙山西民万户实北京”
。很明显，明成祖虽在南京登基，但在政策制度上都悄悄向北京倾斜，为未来迁都做准备。以北平为北京，改北平为顺天府，从命名上看想立北京为新都的目的甚明；又在北京设置留守行后军都督府、行部、国子监等相应的官职和部门，进一步在行政上为迁都做准备；又重开海运运输粮饷到辽东和北京，岁以为常，是从经济上为迁都北京做物质准备；发流罪以下垦北京田，徙各地富民实北京，则是从经济和人力上填充北京。经过这些准备，明成祖迁都北京的意图越来越明显，永乐四年（1406）闰月“诏以明年五月建北京宫殿，分遣大臣采木于四川、湖广、江西、浙江、山西”
；永乐八年（1410）二月“以北征诏天下，命户部尚书夏原吉辅皇长孙瞻基留守北京”，七月“至北京，御奉天殿受朝贺”；永乐十一年（1413）二月“令北京民户分养孳生马，著为令。甲子，幸北京，皇太孙从。尚书蹇义、学士黄淮、谕德杨士奇、洗马杨溥辅皇太子监国。乙丑，发京师，命给事中、御史所过存问高年，赐酒肉及帛。丙寅，葬仁孝皇后于长陵。”
永乐八年（1410）以后，明成祖基本已经把北京作为京师，特别是在奉天殿接受朝贺和葬徐皇后于长陵，更具有迁都的意味。根据《明太宗实录》，永乐七年（1409）皇上巡狩北京，就命旧藩府宫殿及门宜正名号，后于奉天殿设坛告天地、受朝贺；又永乐七年（1409）成祖选北京天寿山建陵寝，徐皇后永乐五年崩，但殡而不葬，至永乐十一年（1413）二月葬长陵
。正宫殿名号、祭告天地接受朝贺、选定吉壤建陵寝，这些都最集中体现了明成祖迁都的决心和计划。
其中，选定吉壤建陵寝最能体现明成祖迁都的决心。明成祖即位不久之后（永乐五年）徐皇后就病逝，其时南京依然为帝国京师，而且明太祖朱元璋的陵寝孝陵也在南京，按照惯例明成祖应该在南京一带建造陵寝。但殡而不葬，《明太宗实录》卷九二记载永乐七年（1409）五月：“己卯，营山陵于昌平县。时仁孝皇后未葬，上命礼部尚书赵羾以明地理者廖均卿等择地，得吉于昌平县东黄土山。车驾临视，遂封其山为天寿山。”
同年五月，长陵陵寝正式动工营建。永乐十一年（1413）正月，玄宫建成，次月葬皇后徐氏。永乐十四年（1416）三月，长陵殿建成，赵王朱高燧奉命将徐皇后神位安奉殿内。永乐二十二年（1424）七月，明成祖朱棣亲征漠北，崩于榆木川，同年十二月亦葬长陵。
宫殿和陵寝是古代帝王最重视的两种建筑，前者相当于生活起居的阳宅，后者则为死后居住的阴宅。对这两种建筑的选址都是异常慎重和严苛的，所选之址不仅要居于形胜，拥有各种优越的物质和环境条件，还要符合风水的各种要求。明成祖命赵羾带领明地理者廖均卿等所选的天寿山在环境条件上特别优越。据明末遗民梁份《帝陵图说》描述，天寿山“山崇高正大，雄伟宽弘，主势强，力量全，风气聚，穴道正，水土深厚，昆仑以来之北干，王气所聚矣。内则蟒山盘其左，虎峪踞其右，凤凰翥其南，黄花城、四海冶拥其后；外西有西山，东有马兰峪。群峰罗列，如几如屏，如拱如抱，如万骑簇拥，如千官侍从。其东西山口，一水流伏，如带在腰；近若沙河白水，远若卫漳河江，若大若小，莫不朝宗”
。天寿山这种王气完全符合帝陵之要求，成为明代十三陵的陵址所在。具体到长陵，《帝陵图说》认为：“长陵在黄土山，一名康家庄楼子营，大明成祖文皇帝陵也。地脉接居庸而拔起，三峰中峰正干，蜿蜒奇秀而广厚尊严，土山带石，入脉之势如骏马驰阪，如游龙翔空，方东倏西……北之主山，环列为障，如御屏，如玉扆，左右翼之，龙砂重叠，盘绕回抱。内明堂之广大，案之玉几，水之朝宗，无一非献灵效顺，无一非三百年之发祥流庆也。”
从梁份的描述可知，长陵所属之地的风水，其地脉、陵后主峰、左右之砂、穴前明堂、陵前朝案、水的流向，无一不符合风水学中的最佳条件。
经过多年的准备和周密计划之后，永乐十五年（1417）北京紫禁城的建造正式动工了。如前所述，实际上北京宫殿、陵寝和建筑的营建活动早已开始，各地的木材石料也早在永乐四年（1406）就源源不断输往北京，只不过在永乐十五年之后这些营建活动变得名正言顺罢了。在永乐十五年以前，很可能大体的规划、元宫城旧址的拆除、地基的构筑、挖南海堆筑万岁山等工作都已基本完成，十五年后则根据营建规划大规模施工。《明太宗实录》卷二三二载：“初，营建北京，凡庙社、郊祀、坛场、宫殿、门阙，规制悉如南京，而高敞壮丽过之。”
可见北京宫城的营建大体遵循南京宫城的形制，但高敞壮丽过之。紫禁城主要的建筑大体在永乐十八年（1420）就已完成。永乐十八年九月“诏自明年改京师为南京，北京为京师”，又“十一月戊辰，以迁都北京诏天下”，至十二月“癸亥，北京郊庙宫殿成”
。至此，明成祖迁都北京的大计遂告完工。
从上面的描述来看，明成祖迁都北京的主要原因有二：一是北京乃其“龙兴之地”，从政治上说迁都北京能够摆脱南京方面官僚势力的掣肘，最大限度地将权力集中在皇帝身上；二是从军事上看北京切近边关，在此建都足以控四夷、制天下。这两方面的主因又和北京所处的地理环境的重要性息息相关。建都讲究占据地理形胜，只有最佳的风水、最壮丽的山川、最优越的环境条件，才配得上成为天子之都。无论是明太祖还是明成祖，都有在关内建都的强烈愿望，南京毕竟还是偏安江南一隅，无论从气势还是格局来看，都难以与北京那种宏壮开阔的力量媲美；而从地理位置来看，北京切近边关又足以抵抗北方部落的入侵。此外，皇宫是天子居住之所，中国古代的哲学讲究天人合一，以中为贵，因此天子居住之地要在中央，并和宇宙六合相互对应。南京偏安江南，从地理位置而言难以满足这种要求；而北京的地理位置相对而言则更接近这种宇宙之“中”的要求。左有沧海，右有太行，南向中原，北抵朔漠，因此在有关北京的赋颂中多有将北京视为天地之中、对应北极的，就像北极有众星环拱那样，北京则居地轴之中，包举八瀛。