北宋熙寧九年(1076年)，沈括奉旨編修《天下州縣圖》。他“先曾別編次一本，稍加精詳”，并“欲再于職方借圖經(jīng)、地圖等圖草，躬親編次”，然而，由于政務(wù)繁雜，又兩度遭貶謫，中間還出守過邊疆，這項工作一直未能完成。但他從未放棄這項工作的計劃，總是把圖稿隨身攜帶著，直到晚年南遷謫居，他終于能專心致志地對所有的地圖資料進(jìn)行詳細(xì)的整理加工，編繪成《守令圖》，又稱《天下州縣圖》。
這部圖集共有20幅地圖，包括一幅高一丈二尺、寬一丈的大圖，一幅小圖和十八幅各路圖。各路圖的分幅按當(dāng)時的行政區(qū)劃十八路制劃分，每路一幅，比例尺為二寸折百里，約合九十萬分之一。圖的地域范圍為當(dāng)時朝庭實際控制的區(qū)域，圖名《守令圖》即由此而來，即設(shè)有守、令等官職的地方之圖。當(dāng)時許多地理著作、資料都將陷于敵手的區(qū)域表示出來，表達(dá)作者收復(fù)河山的愿望，但易使人們對國家山河破碎的現(xiàn)狀造成誤解。沈括將自己的心愿利用圖名反映出來。沈括編繪地圖時發(fā)展了裴秀的制圖理論，采用了“飛鳥圖”法�！八^‘飛鳥’者，謂雖有四至里數(shù)，皆是循路步之。道路迂直而不常，既列為圖，則里步無緣相應(yīng)，故按圖別量徑直四至，如空中飛鳥直達(dá)，更無山川回曲之差�！彼诰幚L該圖集時設(shè)立了分率、準(zhǔn)望、牙融、傍驗、高下、方斜、迂直7條制圖原則和方法，“以取鳥飛之?dāng)?shù)”。沈括還把過去圖上的四至八到定方位的方法發(fā)展為二十四至，以十二支、甲乙丙丁庚辛壬癸八干、乾坤艮巽四卦名之�！叭▲B飛之?dāng)?shù)”和分二十四至采集地物距離和方位使測得的地物坐標(biāo)精度更高。沈括在編圖時注重調(diào)查研究，吸收前人的研究成果，“遍稽宇內(nèi)之書，參更四方之論，該備六體，略稽前世之舊聞；離合九州，兼收古人之余意”。對郡縣、疆土、河渠的變遷均以所見到的公文為準(zhǔn)。
由上可知，這部圖集是極為精確的�？上е猎獣r便佚去了。
熙寧年間，北宋與契丹國因邊境問題發(fā)生尖銳矛盾。北宋遣沈括與契丹進(jìn)行談判。沈括查閱了大量地理和地圖資料，據(jù)理力爭，駁回了契丹對北宋領(lǐng)土的無理要求。次年，他以使臣身份出使契丹。出使期間，他遍履山川，對契丹國的地理山川進(jìn)行了詳細(xì)考察，將所掌握的北方地形和邊防情況，用面糊和木屑模擬成立體地形模型。不久，因天氣寒凍，“木屑不可為，又熔蠟為之”，具有輕巧易攜之特點。返回京城后，他又按蠟制模型圖原樣轉(zhuǎn)刻到木頭上。木模型地圖形象逼真，得到皇帝嘉許，皇帝還“詔邊州皆為木圖，藏于內(nèi)府”。
沈括用三種材料制作的地形模型圖是地圖模型制作上的創(chuàng)新，比歐洲最早的瑞士地圖模型早了600多年。
北宋熙寧年間，沈括在主持疏浚汴渠水利工程時，領(lǐng)導(dǎo)了對汴渠的地形測量。在對汴渠的水準(zhǔn)高度測量中，他因地制宜，利用測量舊溝階梯水面高度差再疊加的分層筑堰法，精確測得汴渠的高差。這是我國最早的水準(zhǔn)高度測量，比歐洲18世紀(jì)初開始進(jìn)行的水準(zhǔn)高度測量早了600多年。
沈括還較早發(fā)現(xiàn)了磁偏角現(xiàn)象，他觀察到磁針“常微偏東，不全南也”。他還動手做了四種磁針裝置法的實驗。他的這些成果對地圖測繪和航海事業(yè)的發(fā)展發(fā)揮了很大作用。
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