自从宋真宗之后，宋朝一直依赖每年送大量银绢来维持与辽朝的暂时和平局面，但辽朝却利用宋朝的软弱，不断寻求侵占更多土地。公元1075年，辽国派大臣萧禧到东京要求划定边界。
宋神宗便派沈括出使，与萧禧进行谈判。沈括不仅精通地理，而且细致认真，他首先查阅了过去议定边界的文件，并画出了明确的地图，这让萧禧无言以对。此后，沈括又被派去上京（辽国都城），在那里他通过详尽的地理资料和官员们共同回应了辽方提出的问题，使得杨益戒不得不放弃其无理要求。
随后，沈括带着随员一路考察，每经过一个地方都会画成地图，并记录当地风俗人情。他回到东京后，将这些资料整理成册献给了宋神宗，被授予翰林学士之职。
为了保障边境安全，沈括重视地形勘察。在一次巡视定州期间，他花费二十多天时间详细考察并制作了一块木制模型，以此展示给宋神宗。最终，他编制了一份全国最准确的地图——《天下郡国图》，这项工作坚持十二年完成。
除了在地理研究上有卓越贡献之外，沈括还是一位科学家，在天文、历法、音乐、医药等领域都颇有造诣。他还曾担任司天监工作，用新的观测方法提高了观测星体位置的精度，最终计算出了北极星正确位置。
晚年的沈括居于润州梦溪园时，将自己一生所学记载于书中，其中包括劳动人民创造发明，如毕升的活字印刷技术。这项印刷术是中国古代四大发明之一，对后世产生深远影响。
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