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。
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。
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