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沈括在地图学上的成就

[2007/8/7]
沈括(公元1033~1097年),字存中,钱塘人(今浙江杭州人),是我国北宋时期卓越的科学家和文武全才的政治家。他出生于一个封建官吏家庭,从小就跟随父亲到过很多地方,长了不少见识。青年时,他就对儒家经籍、天文、地理、医学、兵法及诸子百家有着浓厚的兴趣,并且勤学好问,善于钻研,经常通宵达旦、废寝忘食地读书。他一生大部分时间从事政治活动,同时极其勤奋地致力于科学研究,在天文、数学、历法、地理、物理、生物、医药、文学、史学、音乐等多门学科取得了辉煌成就。他总结自己经历而撰写的《梦溪笔谈》,包罗了天文、地理、艺术、军事、法律等共20多种学科,被誉为“中国科学史上的坐标”。他在地图制作和地图测绘方面也有极高的成就,编绘了《天下州县图》,制作了多种材料的地图模型,进行了创造性的水准测量,堪称一位杰出的地图学家。  
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北宋熙宁九年(1076年),沈括奉旨编修《天下州县图》。他“先曾别编次一本,稍加精详”,并“欲再于职方借图经、地图等图草,躬亲编次”,然而,由于政务繁杂,又两度遭贬谪,中间还出守过边疆,这项工作一直未能完成。但他从未放弃这项工作的计划,总是把图稿随身携带着,直到晚年南迁谪居,他终于能专心致志地对所有的地图资料进行详细的整理加工,编绘成《守令图》,又称《天下州县图》。  

这部图集共有20幅地图,包括一幅高一丈二尺、宽一丈的大图,一幅小图和十八幅各路图。各路图的分幅按当时的行政区划十八路制划分,每路一幅,比例尺为二寸折百里,约合九十万分之一。图的地域范围为当时朝庭实际控制的区域,图名《守令图》即由此而来,即设有守、令等官职的地方之图。当时许多地理著作、资料都将陷于敌手的区域表示出来,表达作者收复河山的愿望,但易使人们对国家山河破碎的现状造成误解。沈括将自己的心愿利用图名反映出来。沈括编绘地图时发展了裴秀的制图理论,采用了“飞鸟图”法。“所谓‘飞鸟’者,谓虽有四至里数,皆是循路步之。道路迂直而不常,既列为图,则里步无缘相应,故按图别量径直四至,如空中飞鸟直达,更无山川回曲之差。”他在编绘该图集时设立了分率、准望、牙融、傍验、高下、方斜、迂直7条制图原则和方法,“以取鸟飞之数”。沈括还把过去图上的四至八到定方位的方法发展为二十四至,以十二支、甲乙丙丁庚辛壬癸八干、乾坤艮巽四卦名之。“取鸟飞之数”和分二十四至采集地物距离和方位使测得的地物坐标精度更高。沈括在编图时注重调查研究,吸收前人的研究成果,“遍稽宇内之书,参更四方之论,该备六体,略稽前世之旧闻;离合九州,兼收古人之余意”。对郡县、疆土、河渠的变迁均以所见到的公文为准。  

由上可知,这部图集是极为精确的。可惜至元时便佚去了。  

熙宁年间,北宋与契丹国因边境问题发生尖锐矛盾。北宋遣沈括与契丹进行谈判。沈括查阅了大量地理和地图资料,据理力争,驳回了契丹对北宋领土的无理要求。次年,他以使臣身份出使契丹。出使期间,他遍履山川,对契丹国的地理山川进行了详细考察,将所掌握的北方地形和边防情况,用面糊和木屑模拟成立体地形模型。不久,因天气寒冻,“木屑不可为,又熔蜡为之”,具有轻巧易携之特点。返回京城后,他又按蜡制模型图原样转刻到木头上。木模型地图形象逼真,得到皇帝嘉许,皇帝还“诏边州皆为木图,藏于内府”。  

沈括用三种材料制作的地形模型图是地图模型制作上的创新,比欧洲最早的瑞士地图模型早了600多年。  

北宋熙宁年间,沈括在主持疏浚汴渠水利工程时,领导了对汴渠的地形测量。在对汴渠的水准高度测量中,他因地制宜,利用测量旧沟阶梯水面高度差再叠加的分层筑堰法,精确测得汴渠的高差。这是我国最早的水准高度测量,比欧洲18世纪初开始进行的水准高度测量早了600多年。  
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沈括还较早发现了磁偏角现象,他观察到磁针“常微偏东,不全南也”。他还动手做了四种磁针装置法的实验。他的这些成果对地图测绘和航海事业的发展发挥了很大作用。  

注:本文沈括生卒年采自杭州大学徐规教授的新考证,因此不同于《辞海》等书。
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