先秦测量和地图的记载
传说约4000多年前的夏代，曾发生洪水，禹继父业治水，曾命诸侯百姓“兴人徒以傅土，行山表木，定高山大川”。他们跋山涉水进行野外作业，“左准绳、右规矩，载四时，以开九州，通九道，陂九泽，度九山”并“相地宜所有以贡”。因治水直接推动了地理考察、测量和制图的发展。“准”是测量方向与物体平直距离的工具；“绳”是测量距离的工具；“规”是校正圆的工具，“矩”可以构成直角，是画方形的曲尺。这表明当时已经出现了最早的地理定向、定位和量度数据的方法。汉画像石上绘出了禹的使臣，拿着绘图与测量的仪器“规”和“矩”。在测量的基础上，使地理概念得到了极大的丰富和发展。
在我国古代的典籍中，有许多关于测绘技术和地图的记载。如《汉书·萧何传》说：
“沛公至咸阳……何独先入，收秦丞相御史律令、图书藏之。沛公具知天下隘塞、户口多少、强弱处、民所疾苦者，以何得秦图书也。”
这说明远在秦代，方志、图籍已广泛应用于行政管理的实际工作中，地形、道路、户口、赋税、物产的经济状况等内容都可能反映在方志、地图之中。萧何很有远见收藏掌握了这批图籍，为刘邦集团战胜项羽集团提供了基础信息。
由于年代久远，古地图失传，当时地图精确到什么程度？是什么样子？长期以来一直是个谜，难于得到验证。
天水放马滩出土的秦墓地图
1986年甘肃天水放马滩在公元前238年下葬的秦墓中出土了七幅木刻地图。它们分别为政区图、地形图和经济图。图的方位上北下南、左西右东，载地名28处，山名二处，溪谷、关隘、亭都有记载。图中没有明显的比例尺，和今图对比推算，约1/30万。图中以水系为坐标系统。
地图所绘很可能是放马滩邻近地区，一是嘉陵江上游的永宁河上段；另一条是嘉陵江上游的西汉水。两条水系的分水岭是嶓冢山。河流用单曲线表示，各图水系大体正确。图的内容计有：河流、分水岭山脉、居民点、道路、关隘。其中有许多文字注记，如地名、山名、溪名、谷名，也表示了森林的分布和道里的数字。地图是按照一定方位绘制的，上为北方，有水平直线距离。
此图的东西相距312华里，南北204华里，总平方面积约6.4万平方华里。河流呈树枝状水系。表明了有些地方是松林砍伐区。道路用单曲线表示。治所在第二台地上。
这是世界上最早的木刻地图。
马王堆汉墓出土的地图
1973年在湖南长沙马王堆三号墓中出土了三幅绘于绢帛上的地图，即“地形图”、“驻军图”和“城邑图”，都未注图名、比例尺和绘图时间。据此墓随葬木牍记载应为汉文帝十二年（前168）入葬，至今已有2100多年了。
地形图汉代通称为“舆地图”，是一幅长、宽各96厘米的正方形彩绘地图。绘制地区的范围大约是今天东经111°～112°30′；北纬23°～26°之间。它可能是墓主人驻防地区，当时长沙国南部，包有今湖南（嘉禾县以西）、广东（连县以西，南至洙江口外南海）及广西（全州县、灌县以东）的交汇处。即今湘江上游、潇水和南岭九嶷山一带。（金应春、丘富科：中国地图史话，科学出版社，1984年版）图幅以上为南，下为北，方位系统正好与今天的地图相反。内容包括山脉、峰、河流、水源、居民地（乡、里、县城）、道路。图中用统一的符号，详细、准确地表示地物。主区外的邻区，图幅内容粗略。与今天同区地形图比较，自然地物与现代地形图位置大体相似。据此可以推测此图可能是经过实测或者部分实测而绘制出来的。即它是以实测作为基础绘制的。图中九嶷山脉用水平山形线和陡崖符号相配合。这种设计欧洲大约到13世纪以后才出现在地图上。图中共80多个居民点分别用方框、圆圈两类符号分级；20多条道路用虚、实两种线区分；特别是30多条河流的位置、水系结构特点和河流流向与现在地形图同地区水系大同小异。（陈述彭：地图史话，中国青年出版社，1980年版）整幅地图的名称、注记很有规律。地形图的比例平均数为1/18万。
居民点以大小不同，在地形图上可以分为二级。也许是县级和乡村级，其中县级居民点共8个，里村级居民点约74个。县级行政单位的驻地——县城用矩形表示，里村一般用圆圈表示，圆圈的大小不等，可以相差好几倍。县级的矩形符号大小也不等，也相差好几倍，这可能是反映了居民的规模大小不同。大部分县城和居民点之间都有道路相联系。这是符合交通路线与城镇居民点之间的实际关系的。道路大多用粗细不均的实线表示，粗的可能表示道路的重要与人流、货流或道路质量的情况。细的则比较次要，人流、货流可能较少，道路质量可能不如粗的。少数道路用虚线表示，这可能是小路或毛路。绘制的河流中有9条有注记名称，所有的河流上源细而下游粗，符合河流发育的实际情况。
地形及其中的山脉采用闭合的山形线表示，这与现代的等高线法很相似。山形闭合线内侧加上晕渲，使山脉的分布、高度、走向、延伸方向等反映得既精确又有立体感。如在闭合山形线上加鱼鳞小曲线层叠交错表示山峦起伏丛立，又添了九条高低不同的柱状符号，表示九嶷山的九座主要山峰，使整幅地形图更具立体感。这表明当时已具备粗略的投影概念。
马王堆《地形图》出土前我国所能见到的是西安碑林中所刻的《禹迹图》和《华夷图），它们是1136年刻的。《地形图》比它们早1300多年，绘制的水平、精确度远较此二图为高。反映当时具有较精确的测算技术和丰富的地理知识。
《驻军图》是一幅高98厘米，宽78厘米，用黑、朱红、田青三色彩绘成的彩色军用地图。反映当时军队守备作战的兵力部署，左为东，上为南与今天地图方位相反。主图区在今湖南江华瑶族自治县潇水流域，范围约250公里，比例尺1/8万～1/10万，相当于《地形图》的中部偏东南部位。
内容据其军事专门用途、突出驻军名称、布防分布位置、城堡、要塞、烽燧点、水池、防区界线等。把与驻军活动有关的内容，用鲜艳夺目的重色表示在主要层次之上。显眼的三角形城堡，表示大本营，红、黑两色套框表示要塞。而将一般的山脉，河流等地理基本要素用淡调的田青色标出，放到了图面的底图次要层次之上。层次分明，一目了然，这与现代专门地图的多层次平面表示法相类似。山脉用“山”字形象形符号，山脊用单线表示走向。河流用田青的淡色。这就减轻了非专门内容在图面上的载负量，达到突出专门内容、突出主题的实际效果。居民点在图中至少有49处，用红圆圈表示，其旁注明户数，无人居住也注明，有人的居民点最多108户，最少12户。道路多与主要居民点相连，用醒目的朱红色表示。驻军营地选择有利地形条件。城堡多选择环水靠山之处，并分设岗楼控制地形。它体现了中国传统的复式兵力部署，重视利用地形的守备思想。它是现在世界上所能见到的最早的彩绘军事地图，体现了当时精湛的地理地图知识水平。图中所绘范围为《地形图》上的东南部分，即今湖南南部江华瑶族自治县的沱江流域，图的比例约为八万分之一至十万分之一，比《地形图》放大了近一倍。为了突出驻军名称、城堡、要塞、烽燧点、水池、防区界线等，图中将军事地物用鲜艳的深颜色表示，而对于一般的山脉、河流等地理要素则用淡色表示。这种分层设色的绘制技术，实际上就是现代专用地图的两层平面表示法。图中清楚地标明了当时一线兵力、二线兵力、指挥部、预备队等构成的梯形军事部署。在防区的山脊上还标绘出7个烽火台，它们既是前沿观察哨所，也是当时的通讯联络设施。
《城邑图》是出土的中国最早的城市平面图。长约40厘米，宽约45厘米。图上绘有城垣、城门、城堡楼阁、城区街道、宫殿、房院等。城墙的亭阁是蓝色的；街坊庭院是双线红色的。城内街区用宽窄不同的线条分出主街道与次（支）街道两级。宫殿、城堡等建筑物用象形符号表示。此古城外形呈四方形、居民房院也如现在北方的“四合院”。城邑图的出土为研究我国汉代及以前城邑的规划、布局、结构、设防等许多城市地理问题，提供了第一手的珍贵资料。当时地图绘制都建立在测量基础上，汉代砖刻上的“记里鼓车”形象地反映了当时远距离测量的工具与测量水平。这在世界的测量史上也有着一定的意义。
天水放马滩和马王堆出土的西汉地图，是目前世界上保存下来最古的地图，它比古罗马托勒密（99～168）《地理学指南》一书中的地图早300至400年，为地图学史增添了光辉的一页。
裴秀（224～271）字秀彦，河东闻喜（今山西闻喜县）人。公元268年他官至司空，位列主管工程、屯田、水利、交通的副宰相。由于职权范围和工作需要，他接触和使用到大量的地图和地理书籍，使他研究地理问题与领导地图制作。《晋书·裴秀传》说他：“又以职在地官，以《禹贡》山川地名，从来久远，多有变易，后世说者，或强牵引，渐以暗昧，于是甄摘旧文，疑者则缺，古有名而今无者，皆随事注列，作《禹贡地域图》十八篇奏之，藏于秘府”。《禹贡地域图》也即当时的一部全国地图集是怎么绘制出来的呢？他“上考《禹贡》山海川流，原隰陂泽，古之九州及今之十六州郡国，县邑疆界乡陬，及古国盟会旧名，水陆径路，为地图十八篇。”可见其范围涉及“古之九州及今之十六州郡国”，表现了山海、川流、原隰、陂泽、古国盟会旧名、水陆路径、县邑、疆界、乡陬等。此图集可能有总图二幅，一为“古九州”图；一为今“十六州郡国”图。然后又依十六州郡国，各有一幅图，共计十八幅，成为反映当时全国古今及各州郡国的一部地图集。这一巨大工程，由他组织领导，在门客京相璠等人的协助下完成。
此外，他还编过《方丈图》，把汉朝的全国地图以一寸为百里（约1：180万），缩成一幅晋朝的《方丈图》。此图“备载名山都邑，王者可不下堂而知四方也。”
由于长期测绘工作的实践，在《晋书·裴秀传》中留下了我国三世纪系统、科学、合理的制图理论，也即“制图六体”，今译如下：
“绘制地图有六项法则：一为“分率”，即比例。用它折算图与实际地物之间的数量关系。二为“准望”，即方位。用它确定地物的位置、方向。三为“道里”，用它确定地物间的距离。四为“高下”；五为“方邪”；六为“迂直”。后三条法则的使用各因地制宜，都是用来校正由于地形起伏、方向偏差和物体之间迂回弯曲而引起的误差。地图只有形状没有比例尺，就不能判断远近与大小。只有比例没有方位，虽然某一处正确了，但在其他方向必然产生差错。有了方位没有其间距离的准确数据，那么在山海相隔之处就无法正确表示在图上。有了距离间的里数，如果没有考虑地面起伏、方向曲折引起的偏斜及道路迂回曲折引起的误差，那么图上的里程数必然和实际的距离不一致，方位也会不正确。所以，这六条制图法则在使用时要互相参照。地物虽然受高山、大川的阻隔，即便难于到达绝险之地，以及高低曲折产生的误差都可以校正，而使地形、地物较为准确地反映到地图上来。”
制图六体的前三条法则，阐述了地图的比例、方位和距离，是现代地图绘制不可缺少的数理元素。后三项原则论述如何正确确定表达两点距离的方法。要考虑由于地面起伏、方向偏斜和将曲线变为直线产生的误差。即将斜距归化为水平距的改正（高下）；方向偏差的改正（方邪）和曲线改正（迂直），最后才能得到不带或少带误差的“飞鸟直达”距离。
裴秀的“制图六体”是汉魏制图实践的理论总结，奠定了中国中古时期制图的理论基础，使古老的制图学奠定在数学科学的基础上。此理论一直应用到明朝末年，运用了1400多年。因此它是有划时代的突出意义的。所以英国李约瑟教授称裴秀为“中国制图学之父”。
“制图之体有六焉。一曰分率，所以辨广轮之度也。二曰准望，所以证彼此之体也。三曰道里，所以定所由之数也，四曰高下，五曰方邪，六曰迂直，此三者各因地而制宜，所以校险夷之异也。有图像而无分率，则无以审远近之差；有分率而无准望，虽得之一隅，必失之他方；有准望而无道里，则施于山海绝隔之地，不能相通；有道里而无高下、方邪、迂直之校，则径路之数必与远近之实相违，失准望之正矣，故以此六者参而考之。然后远近之实定于分率，彼此之实定于准望，径数之实定于道里，度数之实定于高下、方邪、迂直之算。故有峻山巨海之隔，绝域殊方之迥，登降诡曲之因，皆可得举而定者。准望之法既正，则曲直远近无所隐其形也。”
僧一行及其子午线测量
僧一行，俗名张遂（683～727），魏州昌乐（河南省南乐县）人（后晋·刘等《旧唐书》卷191）。自幼刻苦好学、博极群书，及长因追求真理、逃避权势而到嵩山削发为僧。人称僧一行，开元五年（717）随族叔礼部郎中张恰到京城长安，任唐玄宗的天文顾问。此后他编了“大衍历”，推广刘焯的“关于太阳运行不等速”内插法公式，参加制成浑天铜仪和黄道游仪等。使用新创制的许多天文仪器，重新测定了150多颗恒星的位置，并多次测量二十八宿距天球北极的度数。发现前人测定的不少数据不确。他据自己观测的结果，推断恒星本身在天球上的位置是不断变动的。从而成为世界上第一个研究恒星运动的人。总之，一行在天文、历法和大地测量上都有卓越的贡献。
远在隋代大业初年（约604～607）刘焯就提出：“请一水工（搞水平测量的工人），并解算术之士，取河（黄河）南北平地之所，可量数百里。南北使正，审时以漏，平地以绳……则天地无所匿其形，辰象无所逃其数。”大业三年（607）隋炀帝下令各地测影。此时因刘焯逝世而不果。一百多年后，为了制订完善的历法，于开元十二年（724）起，僧一行发起与主持了实地测量子午线长度。选择测量了林邑（位于越南中部，约北纬18°）；安南都护府（位于今越南）；郎州武陵县（今湖南常德）；襄州（今湖北襄阳县）；蔡州上蔡武津馆（位于北纬33°8′）；许州扶沟（河南扶沟县，约北纬34°3′）；汴州浚仪太岳台（位于今河南浚县北纬34°8′）；滑州白马（今河南滑县北纬35°3′）；太原府（今山西太原）；蔚州横野军（今河北蔚县）；铁勒（约在北纬51°）；阳城（河南登封告城镇）；洛阳等13处。他们选择白马、浚仪、扶沟、武津一带南北五百余里的平坦地面上，观测日影长度差（晷差），并实地丈量距离，又测出上述四点的北极星高（纬度），这样就算出北极高度相差一度，即纬度差一度地面上南北距离的差值，结果是折合今122.8公里，比今值多11公里多（今值110.6公里）。这也就是子午线一度弧的长度。
僧一行和南宫说等人的这次大地测量是世界上第一次子午线长度的实际测量。它开创了我国通过实际测量来认识大地面貌的道路。著名科学家英国的李约瑟认为这是科学史上的创举。
公元前3世纪的埃拉托色尼（前274（？）～前194）也利用日影去计算子午线的长，但仅是推算性质，没有实际丈量地面两点间的距离。此后国外子午实测最早的是公元814年，由阿尔·马蒙（Al-Mm，786—833）等人进行。他们在幼发拉底河的新查尔平原和苦法平原，测得子午线一度长为111.85公里。其测算精度虽比僧一行等人测算的精度高，但时间比我国晚了90年。
贾耽及《海内华夷图》
贾耽（729～805）字敦诗，沧州南皮（今河北南皮）人。从小喜好地理，年长善于骑射，历任京内外要职。“耽好地理学，凡四夷之使及使四夷还者，必与之从容讯其山川土地终始。是以九州之险夷，百蛮之土俗，区分指画，备究源流。”从而积累了丰富的地理知识。他生活在中央政权和地方藩镇割据斗争尖锐的时代，少年时候赶上“安史之乱”。边疆领土沦丧。他留心地理之学是与“率土山川，不忘寤寐”的爱国心情有关。当时，“白土蕃陷陇右积年，国家守于内地，旧时镇戍，不可复知。耽乃画陇右、山南图，兼以黄河经界远近，聚其说为书十卷”上奏朝廷。他在上的表中说：
“臣闻……晋司空裴秀创为六体……六体则为图之新意。臣虽愚昧，夙尝师范……虽历践职任，诚多旷阙，而率土山川，不忘寤寐。其大图外薄四海，内别九州，必籍精详，乃可摹写……然陇右一隅，久沦蕃寇，职方失其图记，境土难以区分。辄扣课虚微，采掇舆议，画关中、陇右及山南、九州等图一轴。伏以洮、湟旧墟，连接监牧；甘、凉右地，控带朔陲。岐路之侦候交通，军镇之备御冲要，莫不匠意就实，依稀像真。如……遣将护边，新书授律，则灵、庆之设险在目，原、会之封略可知。诸州诸军，须论里数人额，诸山诸水，须言首尾源流。图上不可备书。凭据必资记注，谨撰别录六卷。又黄河为四渎之宗，西戎乃群羌之帅，臣并研寻史牒……编为四卷，通录都成十卷。”
这说明贾耽所编的图，已遵循裴秀的“制图六体法”则。编图的目的，为的要使人们了解被土蕃占领的土地情况。图幅的范围达到当时人们地理视野的极限——“外薄四海”。图内的政区，则依“九州”分区。陇右地区资料很少，他费尽心机进行调查了解，力图充实图的内容。图中不仅表示了政区的划分，还表示了交通道路以及道路的支线路、军镇、军事要地、险隘、道路与距离的里数、人口、山、水等等地物。旁有注记。他还编绘了黄河图。
更重要的是他早就有绘制全国地图的计划。积毕生精力绘成《海内华夷图》和写成《古今郡国县道四夷述》四十卷。这一图一书的内容，可从他上表朝廷的文中，略知一些。表中说：“臣闻地以博厚载物，万国棋布；海以委输环外，百蛮绣错。”幅载范围东边到了朝鲜、日本；西边到了甘英出使的伊兰、伊拉克一带；西南到了克什米尔、印度河流域。将“古来通儒，罕遍详究”的内容都作了表达。这是他毕生精力研究地理的集大成的结果。他说“臣弱冠之岁，好闻方言，筮仕之辰，注意地理，究观研考，垂三十年。绝域之比邻，异蕃之习俗，梯山献琛之路，乘舶来朝之人，咸究竟其源流，访求其居处。阛阓之行贾，戎貊之遗老，莫不听其言而掇其要。”到了晚年，他将毕生研习的地理知识“谨令工人画《海内华夷图》一轴，广三丈，纵三丈三尺，率以一寸折成百里”比例尺在1/50万—1/80万之间。此图一共绘制了17年之久，最后图中表示了汉族和各少数民族的分布，“奠高山大川，缩四极于纤缟，分百郡于作绘。”此图把当时所认识的大地面貌与地理知识都收纳进去了。“宇宙虽广，舒之不盈庭；舟车所通，览之咸在目”。可以说，这是一幅当时人们心目中的世界地图，是当时地理知识集中体现。可惜此图已失传，今仅能从西安碑林的《华夷国》上看到一些《海内华夷图》大概的情况。
他所撰写的《古今郡国县道四夷述》四十卷，是一部图文并茂的全国历史地图集。范围西至安息（波斯），东北至今朝鲜、辽东。古今对照，“古郡图题以墨，今州县题以朱，古今殊文，执习简易”。以颜色和字体区别古今，开创了我国朱、墨分注古今地名的先例。此法对后世影响很大，一直沿用到清末杨守敬编绘的《历代舆地沿革险要图》。
沈括对地理学的贡献
沈括的生平及思想特点
沈括（1033～1097），字存中，北宋杭州钱塘（今杭州市）人。他是一位多才多艺的杰出科学家，在天文、历法、数学、物理、化学、生物、医学、历史考古、音乐、美术、工程技术等许多方面都有着卓越的成就。他还是一位进步的政治家。他晚年写的《梦溪笔谈》一书，被英国科技史专家李约瑟（Joseph Needham）誉为“中国科学史上的里程碑”。
他出生在一个中下层官吏的家庭。那时江南的社会经济已相当繁荣。生产工具先进、生产水平较高，人口也大幅度增加，科学技术空前发展起来。他的父亲、母亲以及周围的亲属都有很高的文化素养。其中的一些亲属还是当时著名的学者、诗人和科学家（周生春《沈括亲属考》）。少年时代，沈括受母亲教育。他跟随着父母赴任于泉州（今福建泉州市）、简州平泉县（今四川简阳）、润州（今江苏镇江市）、江宁（今江苏南京市）和今天的苏州、杭州等地。他也曾在当时的首都今河南开封居住过几年。
从22岁做江苏沭阳县主簿（县令助手）起，沈括开始了长达40余年的官宦生涯。这时他曾对当时的《图经》进行实地考订，修改了其中与实际不符的地方。又研究了古代弩机。此后，他曾任过东海（今江苏东海）、宁国（今安徽宁国）、宛丘（今河南淮阳）等地的县令。公元1063年沈括在苏州参加科举考试，名列前茅，中进士第。公元1066年被召到京师（开封）参加皇家图书馆做图书的编校工作。并主管朝廷天文、历法的科学研究机构。公元1073年沈括奉命到两浙（江西、浙江）等地设计水利工程。公元1074年又主持制造兵器。公元1075年他作为“国信使”到当时辽朝的上京（今内蒙巴林左旗），进行外交活动。公元1081～1082年他主持军务到前方与西夏作战。因他人之过，以指挥失误罪贬官，后即迁住随州（湖北随县）。公元1085年移居浙江嘉兴。公元1087年完成了历时12年、五易其稿的《守令图》（天下州县图）计20幅。公元1088年移居润州（江苏镇江市）梦溪园，著《良方》、《梦溪笔谈》、《补笔谈》、《续笔谈》、《忘怀录》等35种著作（张家驹：《沈括》，上海人民出版社，1978年）。
沈括受家庭和时代熏陶，接受儒家正统派孟子的思想，对“仁政”极为推崇。为推行“仁政”，在实践上他主持疏浚沭水，使7000多顷土地得到灌溉。又力排众议，主张修复安徽芜湖的“万春圩”水利工程。公元1072年主持疏浚沭汴水道。他的自然观又受到道家的影响，喜欢观察与研究一些奇特的自然现象，并探本求源力图弄清其中的道理。他自幼开始，辗转旅居祖国各地。长期的旅行生活，极大地丰富了他的实际知识。他所到之处，为了弄清科学技术问题，向一切有实际知识的人，其中包括工人、农民、药师，“百工”、“野老”，虚心、诚恳地求教。他随时留心观察与总结民间各行各业的科学技术成就。开创了通过观察和实验来认识自然现象与规律的途径。他自己总结认识论说：“目睹其验，始著于篇”。
地理科学成就
中国古代文献于1041年就记录了测定方向时磁偏角的校正。沈括在世界上最早经实验证明了磁针“能指南，然常微偏东”，记录了地理子午线和地磁子午线指示的方向并不完全一致。因而他是世界上最早经实验证实并记录了地磁子午线不正南，而微偏东，也是世界上最早发现并记录了地磁偏角的科学家之一。要确定地磁角，就必须精确地测量出子午线的正南北方向。西方则于公元1492年哥伦布横渡大西洋时首先发现磁偏角现象，沈括他们较之西方早了400多年。他还把中国先前地图绘制中仅能测量的8个方向，提高到测量24个方向，把对方向测量的精度，提高了三倍。
沈括在绘制地图中不仅能确定精确的方位、比例尺，而且能校正因地形起伏、道路曲折而产生的测量误差。他首创了地形高程测量的方法。公元1072年，创“分层筑堰测量地形法”测量汴河（唐宋时称通济渠为汴河，此河宋以后堙废）河道地形。测量了自河南开封上善门至泗州淮口的直线距离420公里130步和水平高差63.3米。在文献记载中，这是他主持了世界最早的精密地形测量，比俄国于1696年开始的顿河地形测量要早600多年。在实地测量的基础上，他用胶泥、木屑与熔蜡混合，制造出几种不同的地图模型。然后再复制成木刻地理模型。这比欧洲最早的地理模型早了700多年。地图和地图模型都有详细的说明书，以备后世图亡佚，如果得到说明书，按24个方位布置地物点位及郡县，立可成图。公元1076—1087年间，他绘制了当时全国地图20幅，名为《天下州县图》（已佚）。这是一部“以二寸折百里”比例尺的。表示了地形起伏的大型地图集，受到朝廷嘉奖。
公元1074年，沈括奉命到北方边防视察，路过太行山麓，看到螺蚌化石。他记录说：
“予奉使河北，边太行而北，山崖之间，往往衔螺蚌壳及石子如鸟卵者，横亘石壁如带，此乃昔之海滨，今东距海近千里。所谓大陆者，皆浊流所湮耳……凡大河、漳水、滹、沱、涿水、桑乾之类，悉是浊流。今关、陕以西，水行地中，不减百余尺，其泥岁东流，皆为大陆之土，此理必然。”（《梦溪笔谈》第二十五卷）
据此，他推断这里过去是海滨，现在距海已近千里了。并进而推断华北平原是由黄河、滹沱河、涿水、桑乾河等冲积形成。根据化石来恢复古地理环境，是沈括在地学史上的伟大贡献之一。这较地质学萌芽时期科学家列奥纳多·达·芬奇（1452～1519）假设亚平宁山中螺蚌化石为海中古生物遗迹要早400多年。沈括还从黄河等河流的侵蚀和沉积以及历史记载说明华北大平原是由这些河流自上流冲积带来的泥沙沉积而成。这是对华北平原成因最早的科学解释。
沈括还论述了上耸千尺、峭拔险奇的雁荡诸峰，其高岩峭壁的顶部，适在同一平面之上，由此推断雁荡诸峰是由流水侵蚀作用形成的。流水将疏松破碎的岩石，土壤冲走，留下坚硬、固结的峭峰，因而其巅高度会在同一平面之上。此后他又以黄土高原为例，进一步阐明了流水的侵蚀、沉积原理。这与阿拉伯人阿维森纳（980～1073），用剥蚀作用解释山岳形成，如出一辙。
沈括根据延州永宁关大河岸崩，入地数十尺，其下出土一石笋林，共有数百茎，都变为化石，因而推断这里气候早年湿热，宜竹。根据化石来研究古气候变迁，沈括也是世界上最早的。
他也是世界上最早记录了石油，并断言石油“必大行于世”的科学预言家。
他还记载了有关虹和大气的折射现象，引用别人“虹乃雨中日影，日照雨则有之”，论证和解释了这一天空大气折射现象的科学原理。
他还记录了登州（山东蓬莱）的“海市蜃楼”现象，指出这种现象不仅出现在海滨，也会出现在大陆。这是一种大气的折光现象。
他又科学地描述了龙卷风发生时的全部过程和外表形态。其外形“望之插天如羊角”，具有强大的破坏力，所经之处，官府、房舍、居民住家一扫而空，通通卷入云中去了。甚至会使县城变为废墟。沈括对龙卷风的细致描述，证明了龙卷风的分布，并不仅只是南美洲独有的现象，11世纪的中国，也曾发生过龙卷风。
沈括对物候学也有过杰出的研究，说明了温度随地势的增高，会相应下降。植物开花也跟着会在时间、季节上延缓。同一种植物，因品种不同，发育期也不同。同一品种的植物，其习性可以因人工栽培而改变。改善植物的水、肥、光、温条件，也会促使植物早熟。他系统地提出了物候随高度、生物品种、纬度高低、人类生产活动的变化而变化的理论，在世界上也是首创。
公元1064年，沈括对常州地区陨石现象与过程作了精辟的科学记载。
“治平元年，常州日禺时，天有大声如雷，乃一大星几如月。见于东南；少时又震一声移著西南；又震一声而坠在宜兴县民许氏园中。远近皆见，火光赫然照天，许氏藩篱皆为所焚。是时火息，视地中只有一竅如桮大，极深。下视之，星在其中荧荧然。良久渐暗，尚热不可近。又久之，发其竅深三尺余，乃得一圆石，犹热。其大如拳，一头微锐，色如铁，重亦如之。州守郑伸得之，送润州金山寺。”（《梦溪笔谈》卷二十）
沈括主持司天监工作，研究过岁差，首倡“十二气历”，即主张废弃阴历，采用阳历。用十二个节气，来代表十二个月，因为月球绕地球运转周期为29.530588天，地球绕太阳运转周期为365.242216天。两个数字不能整除，早先采取闰月的方法，19年7闰来调和这一矛盾。沈括首倡的“十二节气”历，比现行的《格里历》要合乎理想。
沈括用月亮盈亏的现象，来论证日、月的形状。他肯定了日、月的形状像一颗弹丸，即是球体。他还观察了海潮与月亮的关系，肯定了月球对潮汐的主要作用，指出了海潮起落的滞后现象。对潮候问题的认识比西方早约100年。
沈括指出月食一定发生在望时，但朔、望时不一定发生日、月食。这是因为黄道和白道并不重合，它们之间有一个很小的交角。只有在黄、白交点附近，日、月、地三者才真正近乎在同一直线上，才有可能发生日、月食。他还精确地计算出了黄道与白道每月后退一度多；每249个交点月即18年零6个月为一个周期。九百多年前，他的这些计算，与今天的计算值极为近似。这就是他的伟大成就。
多才多艺的伟大科学家沈括在地理科学上的贡献，也证明了他在许多方面攀登上了当时世界的高峰！
宋元舆
宋、元两代，是我国地图发展的时期。据侯仁之教授研究，地图作为对全国政区进行有效行政管理的工具，“每发兵屯戍，移徙租赋，以备检阅。”宋王朝一方面要地方定期编绘造送。中央政府为了专门的需要也派人到地方绘制。有些地图，工程量很大，如首先完成全国地图——“淳化天下图”，史称用绢一百匹。
由于政府提倡与实际需要的促进，见于著录的宋代地图比唐代的地图，不仅数量多而且种类繁杂。以种类而言，各种专门地图分类细致。如：全国河山图、全国的州郡县图，域外图、水利、交通、都会、工程、转运、守令、城市平面等等莫不有图。在地图发展的同时还发展了地图模型制作。宋代著名的地图仍保存至今的有：
华夷图是反映当时中外关系的图。此图是据唐代贾耽的《海内华夷图》缩简刻于石碑之上，现保存于西安碑林，长、宽各3.42尺。刻于刘豫阜昌七年（1136）。右下方有“岐学上石”字样，当是为教学需要而刻。并有“其四方蕃夷之地，唐魏公图所载，凡数百余国，今取其著闻者载之，又参考传记以叙其盛衰本末”。这就说明刻石原据底图。且黄河入海的路经，也从庆历八年（1048）改道之前的线路。只是改动了“契丹”，即大辽国，其姓耶律氏。唐代强盛，对外通好进贡的国家较多，而入宋以后，“以不通名贡而无事于中国今略而不载。”邻国之中有“沃沮”、“新罗”、“百济”、“高丽平壤”。左下角注西南，说：“欢州、日南，即越棠、林邑之地……宋自开宝以来，交趾修贡，请内附，皆受封爵。”（见西安碑林《华夷图》）左上角注“自建隆以来，通于国者于阗、高昌、龟兹、大食、天竺。”国内部分反映了山脉、河流、湖泊、长城等地物，以及各府、州等名称。所反映的自然地理地物和城市的地理位置与实际情况大体相符。只是海岸轮廓与今图比较，变形较大。河、江的源头也不够准确。
禹迹图与华夷图同刻一石。顾名思义是反映国内地物的本国地图。它是现存最早的画有方格的地图。每方折百里。横有70个方，竖有73个方，共有5110个方。图的范围北到今河套，南到今琼崖。由于采用带有数学基础的全国性比例的“计里画方”制图法，所以水系、海岸的轮廓都更接近现今地图的形状。
据曹婉如先生研究，宋代石刻《禹迹图》流传至今有二：一刻于1136年，藏陕西博物馆，另一刻于1142年，现藏镇江博物馆。内容几乎完全相同，原因很可能都是据沈括绘制的《守令图》缩绘而成，完成的时间约在1080～1082年间。
九域守令图此图即北宋三年（1121）的政区图。长130厘米，宽100厘米。比例尺1：1.9百万。图内有1400多个宋代地名，分两级行政区表示，府、州、军以大字号表示；监、县以小字号表示。图内表示了4个京府；10个次府；242个州；27个军；4个监；1118个县。行政治所点位正确，海岸轮廓相当精审，与今图轮廓相似。山，以传统写景法表示，上有森林符号。标注了山名的有近30座；标注了河流的有近13条。图中四川境内的水系绘得详细准确。它是我国世传地名最多、时间最早的全国政区图。
地理图它是南宋黄裳（1146～1196）于淳佑七年（1247）绘刻的全国写意地形图。现存苏州文庙。碑高6.7尺，宽约3.2尺。地理图表示了山、川、森林和路、府、州以及海岸线等内容。大体准确。标注名称的山脉有120多座；标注名称的江河有60多条。标注的行政区名共410个左右。
黄裳还制过本质的地图模型。
平江图平江是北宋苏州的名称。平江图是南宋绍定二年（1229）刻绘的苏州城市平面图。图高2.76米，宽1.42米，具有一定的方位、比例关系。它清晰地反映了当时苏州城市的面貌。图内绘有城郭、道路、河流水系、街道、官署、庙宇、园林、作坊以及城外的山脉等。对当时苏州城的构筑物、建筑物的外形轮廓、立面造型、结构等都生动地反映出来，其城市风貌和一些细部亦清晰地表现出来。如果将此平面图与当时苏州城相比较，其城市地物与图所表现内容相当吻合，精确无误。比例大体一致。采用平面投影与立体写景结合方法绘制。
平江图的中心是衙城（子城）。此外城区分为六区，四周有城墙和护城河环绕。最突出的是它是一个水上城市，大运河绕城而过，它又处于长江南岸，四面环水，河流湖泊串通。图中表现了城内河道纵横交错，桥梁300多座。此外，寺观庙宇100多个，作坊65个。中轴线明显，左右对称。此图是目前我国所能见到的最早和最好的城市地图。它体现了我国13世纪城市地理的知识水平和城市地图的制作水平。
桂州城图它是我国古代最大的城市平面图，刻在今广西壮族自治区桂林市城北鹦鹉山南麓石崖上，高3.4米，宽3米。刻图时间是公元1271～1273年间。图中反映了主干街道11条，突出的地物是城壕、军营、官署、桥梁、津渡。城内各种军事地物与地方的官、民建筑之间互相沟通，融为一体。城门、城墙、城楼、官署、桥梁、山峰用写景法表示。军营用文字注记。此外，还用文字题记此城的修筑经过、城池大小及工料费用等。它是继《平江图》之后又一重要的城市平面图。
《舆地图》与《广舆图》朱思本（1273～1333）字本初，号贞一，江西临川人。他出生在南宋一个普通知识分子家庭，受过良好的家庭教育，自幼喜读地理书籍，曾畅游天下。入元后，家道衰落，14岁前后离家至龙虎山上清宫学道。后迁居大都（今北京），成为地位很高的道教徒。他终于实现了幼年周览天下名山大川的夙愿，常常奉诏代表皇帝或朝廷祀名山大川。他利用这一条件到山西、河北、河南、山东、安徽、江苏、浙江、江西、湖南、湖北等地进行野外的地理考察，所到之处都考证地名，绘制地图。他说：
“予幼读书，知九州山川，及观司马氏周游天下，慨然慕焉。后登会稽、泛洞庭，纵游荆、襄，流览淮、泗，历韩、魏、齐、鲁之郊，结辙燕、赵……由是，奉天子之命，祠嵩高，南至于桐柏，又南至于祝融，至于海。往往讯遗黎、寻故迹，考郡、邑之因革，核河山之名实，验诸滏阳、安陆石刻禹迹图、建安混一六合郡邑图，乃知前人所作，殊为乖谬，构思为图以正之。阅魏郦道元注《水经》、唐《通典》、《元和郡县志》，宋《元丰九域志》，今秘府《大一统志》，参考古今，量较远近，既得其说，而未敢自是也。中朝大夫，使于四方……则每嘱以质诸藩府，博采群言，随为图，乃合而为一。自至大辛亥（1311年），迄延佑庚申（1320年）而始成功。其间山河绣错，城连径属，旁通正出，布置曲折，靡不精到。”
可见，他是一方面研究前人积累起来的成果，另一方面又亲历考察研究，经过10年努力才绘制出《舆地图》的。他治图严谨，对“言之者既不能详，详者又未可信”的材料，以及“涨海之东南，沙漠之西北”他不轻易下笔，宁可“如用阙如”。图成之后曾刻于江西龙虎山上清宫之三华院。
朱思本的《舆地图》是采用我国传统的计里画方法绘制的。比例尺是“每方折地百里”，其图长、宽各7尺。此图作为元、明两代地图的祖本，支配了中国地图200多年，直到清代康熙末年才散失。成就的特点是“其足迹之广，目验之多，自属突胜前人。”他还有《贞一斋杂著》、《贞一斋诗文稿》传世。
罗洪先（1504～1564）字达夫，号念庵，江西吉水人。他曾举进士第一，后得罪朝廷被革职。身处逆境更加奋发，史称他“考图观史，自天文、地志、礼乐、典章、河渠、边塞、战阵、攻守，下逮阴阳算数，靡不精研。”他在整理旧图时，发现朱思本的地图最正确、最可靠，于是以《舆地图》为基础，增广了边远地区和国外部分，取名为《广舆图》，方使朱思本的《舆地图》广为流传。他用了十年工夫，分幅转绘，“增其未备”，“广其图至于数十幅”，在公元1541年前后编成《广舆图》二卷。
《广舆图》是明代的一部综合性的全国地图集。计有“舆地总图”一幅，两直隶十三布政司图十六幅；九边图十一幅；洮河、松蕃、虔镇、麻阳诸边图五幅；黄河图三幅；漕河图三幅；海运图二幅；朝鲜、朔漠、西域图四幅；东南海夷图、西南海夷图、四夷图各一幅；日本、琉球各二幅。这部图集是以明廷版图为核心，按行政区划分幅的当时地理视野所及的世界地图集。又配以经济发展，与国民经济关系切要的一些专门性地图。因此，构成明代一部体例完备的全国综合性地图集。此图集，明、清两代多次翻刻，流传很广，影响很大。
近代制图学的传入
近代制图学是以地圆说及经纬网坐标为基础的地图发展阶段。在中国，近代地图学的萌发与西方的地图投影与测绘技术传入有关。
利玛窦传入世界地图
利玛窦（1552～1610），意大利耶稣会教士。他被教会派遣来中国传教。于1577年从罗马出发，经热那亚、葡萄牙、印度，至1582年5月到我国澳门。他先后到过广州、肇庆、韶关、南昌、北京、南京、苏州等地。他利用西方的制图、测量、天文、数学、几何等知识，与中国知识分子交往，作为传教的手段。西方新兴的科学技术如哥白尼的天文学、欧几里得的几何学等的传入，客观上对中国社会经济、科学文化的发展起了促进作用。他是近代中西文化交流的先驱者，于1610年5月卒于北京。在中国的28年间，他绘制了10多种世界地图，其中有：《山海舆地全图》1584年、1600年及1604年刻版；《山海舆地图》1595～1596年刻版；《舆地全图》1601年刻版；《坤舆万国全图》1601年、1602年及1608年刻版；《世界地图》1606年刻版等。他在来中国的路上，沿途测量各地的经纬度，到了中国后又精确测量了扬州、淮安、苏州、济宁、临清、天津、北京等地的纬度以及北京、南京、大同、广州、杭州、西安、太原、济南等地的经纬度。在大量测量的基础上，利用投影方法绘制世界地图。把西方地理大发现所获得的地理知识，反映在图中传到中国来。利玛窦带来的地理新观念是：
其一，地球观念：地球是人类的故乡，它形如球体，有赤道、南北极，因此在其上可以划定各种量度的经纬线，以确定各地的经纬度位置。
其二，地球上可以依气候条件和纬度带划分为：赤道、热带、亚热带、温带、寒带、南北回归线等。
其三，地球上大洲和大洋的认识。世界地图上有欧罗巴（欧洲）、利未亚（非洲）、亚细亚（亚洲）、南北亚墨利加（南、北美洲）、墨瓦腊泥加（澳洲）。在各洲之上还标明国名，河、湖、海、岛的名称也标出了许多。
其四，地图中许多首创的译名也一直沿用到今天，如：欧罗巴、亚细亚、地中海、大西洋的洲、海、洋名称；赤道、南极、北极、北极圈、赤道、经纬线等普通自然地理名称；罗马尼亚、罗马、古巴、加拿大、尼罗河等国家、地区、大河名称等。
其五，地图上还对当时世界各地的文化、风土人情、地理特点作了简要介绍，是世界自然地理与世界人文地理的粗略轮廓。
总之，利玛窦带来当时世界地理的新知识和新观念，对开拓中国人民的地理视野，冲击传统的古典地理观念都引起了巨大的反响。
17世纪世界大地测量史上的壮举
明末清初，西方测绘技术传入后，我国的地图测绘，进入了向近代制图学发展的新时期。
康熙皇帝玄烨（1662～1722年在位）是一个有自然科学兴趣和素养的明智皇帝。他深知精确的地图对处理政务和行政管理工作的重要作用，于1686年曾在批谕中说：“惟是疆域错纷，幅员辽阔，万里之远，念切堂阶。”于是他希望绘出“务求采搜闳博，体例精详”的图，使“厄塞山川，风土人物，指掌可治，画地成图”。据侯仁之教授研究，“为了统一在测量中使用的长度，康熙帝规定以200里合经线一度，每里1800尺，每尺合经线千分之一秒，这种以地球体经线长度来规定尺度的做法，还在法国于18世纪末以赤道长度规定为公尺长度之先”。“康熙四十一年（1702）测定了经过北京的本初子午线上，由霸河至交河之间的直线距离”，此后又测定了北纬41度至47度间，“每一度的直线距离，从而发现纬度愈高，则经线一度的距离愈长”，这“实际上正是以实地测量证明地球是扁圆形的第一次”。使牛顿的地球椭扁说在中国首次得到证实。这是大地测量史上的一大贡献。
在一系列科学的准备工作之后，在北京附近试测、试验，取得典型经验，从中确实看到新图优越性后，遂下令在全国进行测量和制图。主要技术人员是传教士白晋、雷孝思、杜德美、费稳、麦大成、潘如、奥古斯丁、汤尚贤等；还有汉、满、蒙、藏的何国栋、索柱、白映棠、贡额、那海、李英、照海以及钦天监喇嘛楚儿心藏布兰木占巴，理藩院主事胜住等大批中国籍测绘人员。从1708年开始，至1718年的十年间基本完成。其范围之广，测绘内容之精详，测绘手段之先进，不仅在中国历史上是空前的，而且是在当时世界上没有任何一个国家完成本国大地测量的情况下，率先进行的。并以此为据绘制成了全国地图。
测量的地区，西北至新疆哈密一带，西南远至四川、贵州、云南、西藏，以及深入到恒河河源，并在公元1717年由中国籍测绘员发现了世界最高峰珠穆朗玛峰，并在清初的《皇舆图》上，首次标明此峰。这比印度测量局的英国测量员埃非尔士于1852年始测量此峰，早了135年。东北深入到黑龙江、辽东一带。东南到了福建、台湾、海南岛。测得经纬点，除西藏另计外，共641个，几乎遍布中国广大疆域之内。测量的方法，采用天文测量和大地三角测量法。当时测定纬度，主要采用太阳正午高弧定纬度法。而北极星定纬度法，由于夜间实测不便和仪器不精，实际采用较少。当时经度测定，主要采用月蚀经度法，即在不同地点观察月蚀的差时，以此推算经度。有时利用月蚀观测困难，“又采用了审慎而周密的三角控制网的测算，测量出一连串三角形，并通过平面三角计算，得各点座标，用望远镜测定夹角，并先对基线作准确的测量，然后用三角法运算，由近及远，或用已知测绘点反求、复测……使新测地图具有相当的精确度，成为中国地理地图事业的一项基础性工作。”
此后，乾隆二十一年和二十四年（1756年和1759年）又补测了新疆吐鲁番地区及开都河流域以及哈密至今前苏联巴尔喀什湖以南广大地区。这次测量是以中国籍的测绘人员为技术骨干进行的。
在全国规模的经纬测量基础上，留下了三种不同形式的康熙《皇舆全图》版本。
一种是最早刻于康熙五十六年（1717）的木版，它采用梯形投影法，经北京的标准子午线按1/14万～1/15万的比例尺。有总图1大幅；分省图28幅，其中东北地区5幅，蒙古3幅，关内15幅，黄河上游l幅，长江上游1幅，雅鲁藏布江流域l幅，高丽（今朝鲜1幅）。到康熙六十年（1721）又刊一次，分省图和地区图已增至32幅。图幅中包括了台湾、贝加尔湖和西藏朱母郎马阿林（珠穆朗玛峰）。以这种刻本还派生出许多版本。
第二种是由马国贤制的铜版，于康熙五十八年（1719）印行。仍采用梯形投影法，以纬差8度为一排，共分八排，共41幅。文字注记则内省各注汉字，东北及蒙藏地区注满文。此版藏沈阳故宫，铜刻至精。
第三种是木版分省分府小叶本。它是适应行政管理需要而采用以省、府分幅的全国地图集，共272幅，注记方法与木版相同，但未绘经纬线。《图书集成》的“职方典”中的地图及1932年北平民社影印的《内府地图》属这一系统。
侯仁之教授研究说：“清初实测的全国地图，有高度的科学性，不过成图以后，视为内府秘藏，除少数高官大吏之外，外间无从得见。其次当时所用的测绘方法，因为没有文字说明，未能普及，广为采用。因此，在这一时期之后，中国地图仍是相沿如旧，甚至连计里开方的办法都很少被应用。”可见，由于封建专制主义的压迫，先进的科技成果没有能够为人民服务，此后中国的地图学反而倒退落后了。