大业十年底，大隋废总管府，在西域设西域都护府，黄明辽成为大隋在西域的第一任都护。
都护府的权利比较笼统，但相较于总管府，肯定是更加广大。总管府主要管军，军事目的更为重要。而都护府的职责是“抚慰诸藩，辑宁外寇”，凡对周边民族之“抚慰、征讨、叙功、罚过事宜”，皆其所统，主要目的是理藩。
西州总管府改西域都护府，使得黄明辽可以更加名正言顺地管理西域各属国了。
于是黄明辽继续经营伊吾、北庭、交河三郡，以为西域都护府的腹心之地。伊吾已经经营十多年；交河之地虽新附，但以汉人居多；而北庭更是西域都护府的驻地。三郡有汉民八万户，占据了整个西域汉民的七成。
三郡之中，黄明辽兼任伊吾郡太守，李节兼任北庭郡太守。考虑到三郡下属只有十三个县，虽然面积广大，但实际上只是一个郡的体量。设置三个郡，既不方便管理，又多置机构，还使得都护府下的机构有些臃肿。
而且更重要的是，西域极其缺乏文官。西域之地缺乏纯文官生存的土壤，很多行政官员都是由军官改任的。黄明辽新置西域五镇，调走了大批文官，使得三郡文官更少，不少人都是一人兼着好几个职务，极不稳妥。
于是黄明辽与李节商议，暂时搁置三郡，由都护府直接管理下属各县。同时三郡的官府也皆裁撤，官员分配到各紧要之地。
而且最重要的是，由都护府直辖这十三县，就能保证这八万户汉民始终控制住都护府的手中，不至于生出旁的事情。
李节听了，也觉得有道理。整个西域的汉民、粮食、府库、工坊、马场多集中在这里，都护府牢牢控制住三郡直到，就相当于控制了西域诸军的命脉。
于是都护府下令裁撤三郡的郡府，由都护府直接管辖三郡之中的十一个县的民政和军事。
被伊吾郡代管的且末、鄯善二县，与三郡隔着大沙海和莫贺延碛，从轮台前往二县，必须要绕道焉耆或者是敦煌，来往相当不便，于是将二县交给敦煌郡代管。并在蒲昌海（今新疆罗布泊）重设海头县，以为西域南线之屏障。
黄明辽又整合三郡兵马，分设四军，每军约四千五百人，都护府直辖，由尉迟恭、暴固、慕容正言、史大奈四人分领，加上三郡下辖的各镇、戍、堡，共领兵三万两千余人。
当然，这也只是定额，缺员有上万之数。
不过四军的设立使得都护府随时可以调集一支成编制的集团军队，可应对西域出现的大部分挑战。
三郡暂时废除之后，天山以北只剩下了双河郡。黄明辽又命蒙跃总揽西北面军事，定兵额六千。
此时的西域，经过黄明辽的改制，形成了一个南北并进的双头鹫模式，类似于唐朝北庭、安西二都护府分治的场面。