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清朝康熙前期，先后平定了“三藩之乱”和台湾的郑氏政权，除了西北的准噶尔以外，国内其他分裂割据的威胁已经消除。经过一段时间的休养生息，经济得到恢复，国力日益加强。康熙皇帝对自然科学有着浓厚的兴趣，通过与西方传教士的亲身接触，更增加了对西方新知识、新技术的了解。早在康熙二十五年(公元1686年)，康熙皇帝已有了编绘全国地图的计划，在给《一统志》总裁勒德洪的上谕中，他提出了“务求采搜闳博，体例精详，厄塞山川、风土人物，指掌可治，画地成图”的要求。在掌握了数学、测量和其他科学常识后，康熙更认识到，无论是修订天文历法，还是编纂全国性的地理志，测量经纬度和编绘地图是必不可缺的基础工作。因此他在巡游东北、江南和亲征准噶尔首领噶尔丹时，都令人测量当地的经纬度，用以校验旧图。
此后，在康熙的直接过问下，作了一系列准备工作。康熙亲自决定选用《工部营造册》为标准，规定200里合经线1度，每里180丈，每丈10尺，每尺合经度1%秒。还通过广州向西方购买了一批测量仪器。康熙四十一年(公元1702年)测定了经过中经线霸州(今河北霸州市)到交河的长距。康熙四十六年(公元1707年)又在北京附近试测并绘制成地图。康熙亲自作了校勘，发现质量大大超过旧图。这更坚定了他采用新法测量全国经纬度和绘制地图的决心，也使他对曾参加这些试验的西方传教士的技术更加信任，决定委任他们到全国各地进行测绘。
测量开始于康熙四十七年五月十七日(公元1708年7月4日)，由白晋(Joach Bouvet，公元1656—1730年)、雷孝思(Jean-BapitisteRegis，公元1663—1738年)和杜德美(PetrusJartoux，公元1668—1720年)三位神甫负责测量长城沿线，包括长城的各门、堡，附近的城寨、河谷、水流等。选择长城为首次测量的目标，显然还考虑到有利于测定北方各省的界线和毗邻地点的经度。两个月后白晋因患病而提前离开，其他人至次年1月结束测绘，返回北京。
他们绘成的地图是一个长卷，长度超过457厘米，标明了长城的300多个大小城门、远近全部堡、寨和军事据点，两侧邻近地区的大小河流、津渡、山岭，地形一览无遗。康熙审阅后非常满意，决定继续实施原定计划。
1709年(康熙四十八年)5月8日，雷孝思、杜德美和日尔曼神甫费隐(Xavier-EhrenbertFridelli)自北京启程去东北各地测量。尽管这次测绘的地区大多人烟稀少，但由于康熙已下令各地作准备，夫役、马匹、粮草和物资的供应相当充分。这次测量的地区是北纬40度至45度，绘成的地图还包括图们江对岸的朝鲜北部。
三位神甫于年底返回北京，即奉命测绘直隶。自12月10日开始，至1710年6月20日完成。直隶地处京畿，是康熙皇帝经常巡视所经并作过测量的地方，所以测绘工作进行得特别仔细。果然，康熙亲自校阅了新制成的地图，认为无可指摘。
1710年(康熙四十九年)7月22日，测绘队再次去东北，向黑龙江进发，经齐齐哈尔、墨尔根(今黑龙江嫩江县)、黑龙江城(今黑龙江黑河市南瑷珲老城)，最北的测量点到达北纬51°21′36″。当他们从位于北纬47°24′30″的齐齐哈尔城返回时，经过了一望无际的东北平原，当时这里荒无人烟，河流也很少，所以他们连续进行了几个纬度的测量，结果发现，在北纬47°至41°之间每度间的距离会随着纬度的增加而增长，当时他们还不明白其中的道理，实际上却是首先发现了地球是扁圆体的实证。他们于当年12月14日绘成地图，进呈御览。由于本身居民点很少，测绘点也有限，这幅地图上还留有不少空白。
据《清史稿·何国宗传》的记载，由于鸭绿江与图们江之间的测绘尚不详细，曾于康熙五十年(公元1711年)命乌喇总管穆克登率领部属进行复查。
为了加快进度，从1711年(康熙五十年)开始测绘人员分为两路：雷孝思和新来华的葡萄牙神甫麦大成(Jean Francois Cardoso)率一队往山东省。杜德美、费隐与一位来华才三个月的潘如修士(Fabre Boujour)率一队出长城西行，直到新疆哈密一带，测绘喀尔喀蒙古(今蒙古国境内)。杜德美一队在完成测绘后，由嘉峪关经甘肃、陕西、山西返回北京。
山东一路的测绘先已完成，康熙在审查地图时问起，是否还有胜任测绘的传教士尚未任用，于是又有四人被推荐参加。麦大成奉命前往山西，与留在那里的汤尚贤神甫(De Tartre)会合，一起测绘了陕西、山西二省，制成两幅约300厘米见方的地图。康熙召见了汤尚贤，并提出一些他曾经观测过的地点，要汤尚贤在地图上指出它们的位置，一一核对。康熙曾认为与陕西、山西相接的另一幅地图中有一条河的走向画错了，汤尚贤据理力辩，居然使这位皇帝承认自己搞错了。
1712年(康熙五十一年)，冯秉正神甫(DeMailla)与肯特雷神甫(Kenderer)奉命协助雷孝思测定河南省，在完成后又一起赴江南，在浙江和福建测绘。
1713年(康熙五十二年)，麦大成、汤尚贤被派往江西、广东、广西三省测绘；费隐、潘如被派往四川、云南，但潘如于1714年12月25日病逝于云南与缅甸边界，费隐也患病，测绘无法继续。
1715年(康熙五十四年)3月24日，雷孝思奉命去云南接替测绘工作。等云南的测绘完成时，费隐已经康复，因此他与雷孝思一起测绘了贵州和湖广(今湖北、湖南)两省，1717年元旦他们完成任务后回到北京。
剩下的就是将各省的地图合成为一幅全国总图，这项工作交给了前一阶段因身体欠佳而留在北京的杜德美。由于在绘制分省图时已预先考虑到了拼接问题，所以这项工作没有花费多少时间，1718年(康熙五十七年)大功告成。
康熙皇帝没有派遣传教士去西藏测绘的计划，所以大约在康熙四十八年至五十年(公元1709—1711年)间，曾派人去西藏进行测绘，但因测绘回来的地图没有采用经纬度，绘成的地图与内地用经纬度绘成的地图难以连接。康熙五十三年(公元1714年)，在钦天监(皇家天文台)学习过数学的喇嘛楚儿沁藏布兰木占巴和理藩院主事胜住被派往西藏进行测绘。他们从北京出发，经西宁至拉萨，又去冈底斯山和恒河源。但因准噶尔部的策妄阿拉布坦出兵骚扰西藏，他们在恒河源受阻返回。测绘人员于康熙五十六年(公元1717年)回到北京，他们测绘的结果和收集到的资料得到了传教士们的认可，以后被补入全国地图。
这次全国性的经纬度测量虽然是由雷孝思、杜德美、白晋、麦大成、汤尚贤等传教士主持，但还有大批中国的辅助人员参加，同时还充分利用了中国长期积累的地理资料。雷孝思在他代表全体传教士发回欧洲的报告中说：我们亲自走遍各省各地，包括那些很次要的地点，查阅了各地官府所藏的舆图和史书，询问了所经各地的官吏和耆老缙绅。他们直接测定经纬度的点是641个，但需要在地图上表示的地名却数以千计，所以“在测量过程中，用三角法通过已知点测定未标定的地点”是主要方法。毫无疑问，中国的地理资料为确定这些地点的准确位置提供了极大的便利。
在六年多时间里，他们共测得641个地点的经纬度。这些地点东起敦敦(东经19°58'40"。以通过北京的子午线为中经线计，以下同)，西至阿斯塔纳(西经20°48′20″)，北起乌鲁苏(北纬51°21′36″)，南至崖州(北纬18°21′36″)，遍布各地。其中，直隶48处，江南37处，山西28处，山东28处，河南29处，陕西28处，浙江30处，江西30处，湖广54处，四川28处，福建(不含台湾)30处，台湾岛7处，广东37处，广西28处，贵州25处，云南30处，辽东(奉天)8处，吉林、黑龙江36处，蒙古93处。在当时的条件下，能够在如此广大的范围内完成测绘，不仅是中国地图测绘史上空前的盛事，在世界地图测绘史上也是从未有过的壮举。
在这次全国测绘中，还有几项意义重大的发现。
当雷孝思和杜德美在东北47度至41度测量时，他们发现，无论操作中如何小心翼翼，测得的各度间长度总有差异。尽管他们不时检查作为尺度使用的绳索，校正测定高度的象限仪，但还是发现有近30秒的差距。当时所用的绳索每10根等于一华里，空气湿度的变化可能使绳索收缩或伸长。但每次使用的器材完全相同，产生的误差也应该完全一样。况且当时天气始终干燥，湿度并没有明显的变化，他们又经常用两把专用尺子丈量测距绳索。因此当他们最终发现47度与其他度的差距竟多达258尺时，就得出了每度经线长度肯定不相等的结论。当时虽已有人作过地球是一个扁球体的猜测，但他们认为，如果不继续对更多的纬度间作精确无误的观测，就改变地球的数据是轻率的，所以决定维持地球是正圆的观念，把问题留给那些时间从容、机会适当的人去解决。尽管他们没有正式提出地球是扁圆体的新说，却是首次用实际测量证实了这一点。
藏族喇嘛楚儿沁藏布兰木占巴和胜住在西藏测绘时，发现了世界最高峰珠穆朗玛峰，并在地图上作了标注。康熙五十八年(公元1719年)绘制的《皇舆全览图》的第6排第5号图上标注了珠穆朗玛的满文名称。康熙五十六年福克司编的《康熙时代耶稣会士地图集》(W.Fuchs，Der Jesuiten Atlas der Kangnsi-Zeit)第14幅《雅鲁藏布江图》上，亦注着“朱母郎马阿林”(“阿林”为满文“山”)，这是珠穆朗玛峰最早的汉文译名。康熙六十年(公元1721年)所刻木版《皇舆全览图》上用汉文标注了该山名，而雍正十一年(公元1733年)将该图译成法文时，图上也注为“Jchomo-Lancma”。“珠穆朗玛”译自藏语，是“圣母之山”的意思。这说明，虽然当时还没有测量过这座山峰的高度并证实它是世界最高峰，但藏人已经肯定它是青藏高原诸山中最高、最重要的一座，才会这样命名。而直到135年后的1852年，英国印度测量总局派安德鲁·沃(Androw Waugh)到喜马拉雅山一带测绘，用三角测量法测得一座高29002英尺的山峰(即珠穆朗玛峰)，五年后，安德鲁·沃返回英国，因为前任印度测量局局长埃佛勒斯(Ever-est)曾到过那里，就提议命名为埃佛勒斯峰。可见最早发现此峰的根本不是安德鲁·沃或埃佛勒斯，珠峰也不是本来没有名字的山峰，英国人的做法只能暴露出他们的狂妄和无知。
在这以前，西方地理学界流行着一种看法，即磁针倾斜率的变化与观测的地点有对应关系，因此观测磁针倾斜可以用之于地理测绘。但传教士们在多年的测量中发现，同一地点数年之中磁针的倾斜会发生变化。而且，当他们分别在同一子午线上、在毗邻的两地、或在远离的两地进行观测后，发现并不是像某些著名学者所假设的那样，能对确定该地的经度起作用，磁针倾斜与经度之间根本不存在什么规律。
本来，传教士们还建议，在清朝的东西边境和相隔一定距离的若干地点反复进行日食观测，测定经度，用以校正已经绘成的地图。但因为全图已经完成，康熙皇帝已经心满意足了。
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