自宋真宗之後，宋朝長期依賴每年送出的大量銀絹維持與辽朝的暫時和平關係，但辽朝卻因為宋朝軟弱而企圖進一步侵占其土地。公元1075年，辽朝派大臣萧禧到東京要求劃定邊界。宋神宗便派大臣與萧禧談判，但雙方多日交涉無果。
此際，沈括被選派出使上京（辽朝的京城），他首先收集了大量地理資料，並令隨從官員熟悉。此行，他對抗辽方提出的要求，用事實和證據予以反駁，使得杨益戒不得不放棄其無理主張。
回國後，沈括繼續研究地形勘察，一次假扮打獵於定州二十餘天，以考察邊境地形並製作立體模型呈獻給宋神宗。這種立體模型比傳統的地圖更具明晰性。
最終，由於受人誣陷，被貶謫至隨州，在那裡，他堅持繼續修訂未完成的地圖，並在十二年後完成了《天下郡国图》，成為當時最精確的一部全國地圖。此外，他還在天文、歷法、音樂、醫藥及數學等領域都有著深厚的造詣，是一位科學家。他晚年的著作《夢溪筆談》記錄了他的一生研究成果，其中包括古代工匠毕升發明的活字印刷技術，這是中國四大發明之一。
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