明末清初西方傳教士對中國古代測繪技術(shù)發(fā)展的影響

白成軍，韓 旭，傅 程

(天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300350)

一、引 言

在世界文明發(fā)展史上，中華民族創(chuàng)造了燦爛的古代科學(xué)文化，測繪科學(xué)技術(shù)便是其重要代表之一。測繪科學(xué)技術(shù)是利用多種技術(shù)手段獲取自然及人工物體的空間形狀、大小、位置及其相關(guān)屬性信息，并進行研究利用的技術(shù)。伴隨著人類認識自然之需求的進一步提高，測量技術(shù)也在不斷進步、發(fā)展。大量證據(jù)表明，自中國秦代開始的一千多年里，高度發(fā)達的古代中國測繪科學(xué)技術(shù)一直遙遙領(lǐng)先于世界。

成書于公元前5世紀的《書經(jīng)·禹貢》，是流傳至今最古老的經(jīng)濟地理學(xué)著作[1]8，書中以文字描述的形式記述了古代中國九州的地理概念及相關(guān)的地理經(jīng)濟屬性；其后出土了秦代水利工程中所用的水準儀,以及繪制于公元前4世紀的《兆輿圖》、西漢的《地形圖》和宋代的《禹跡圖》；元代《輿地圖》及明代《廣輿圖》，不但采用了科學(xué)的“計里畫方”制圖方式，而且達到了可與現(xiàn)代地圖相媲美的測繪制圖精度；唐代李荃所著《太白陰經(jīng)》及宋代《營造法式》詳細記載了當時水準測量的基本工具和方法，《周髀算經(jīng)》《九章算術(shù)》及《孫子算經(jīng)》則歸納總結(jié)了間接測量的基本方法。此外，都江堰、紫禁城、趙州橋等現(xiàn)存大型古代工程也說明，中國至遲在16世紀之前在測繪科技方面就取得了輝煌成就并形成了系統(tǒng)的測繪理論。 但此時，文藝復(fù)興運動促進了歐洲科學(xué)技術(shù)的進步，歐氏幾何與非歐氏幾何得到了長足發(fā)展與廣泛應(yīng)用，測時、測角設(shè)備日趨精密。與之相比，大部分中國人仍然固守著“天圓地方”的關(guān)于地球的錯誤觀念。

進入16世紀，地理大發(fā)現(xiàn)，航海事業(yè)興起，在資本主義擴張的大背景下，西方傳教士大量涌入，以意大利傳教士利瑪竇為首的“學(xué)術(shù)傳教”活動，為中國了解世界科技發(fā)展打開了一扇窗戶。在測量科學(xué)技術(shù)方面，改變了中國人固守了幾千年的“天圓地方”概念，動搖了中國古代制圖學(xué)所采用的“計里畫方”方式，同時協(xié)助中國完成了領(lǐng)先世界的全國性大地測量。這一活動始于16世紀中葉利瑪竇東來，止于18世紀末清廷對天主教的嚴禁和羅馬教廷對耶穌會的解散[2]114。

持續(xù)約兩個半世紀的“科技傳教”活動，無疑促進了中國古代測繪科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，推動了中國測繪科技近代化的進程。但不容忽視的是，直到清末，我們?nèi)匀粵]能找到完全由中國人自己按照經(jīng)緯度繪制的地圖。相反，根據(jù)“樣式雷圖檔”相關(guān)記載，在清代皇家宮殿、園林、陵寢等大型工程營造中，仍普遍采用中國古代傳統(tǒng)測量儀器和工具。在總結(jié)分析“科技傳教”活動前后測量技術(shù)發(fā)展狀況基礎(chǔ)上，對明末清初西方傳教士對中國測繪技術(shù)發(fā)展的影響和作用進行客觀評價，是本文的主旨所在。

二、16世紀前中國古代測量技術(shù)發(fā)展成就

《史記》中對大禹治水時“左準繩，右規(guī)矩，載四時，以開九州，通九道，陂九澤，度九山”的描寫，是關(guān)于中國古代測量方法和測量工具最早的記載?！对娊?jīng)》及《周禮》中“既景乃崗，相其陰陽”“定之方中，揆之以日”“水地以縣，置槷以縣”“惟王建國，辨方正位”“以土圭之法測土深，正日景以求地中”的記載，以及《管子》中“上有磁石者，下有銅金”、《論衡》中關(guān)于“司南”的描述，說明當時已經(jīng)普遍應(yīng)用“表”和“司南”進行測量定向工作?！痘茨献印分小叭擞呦露荒?，教之用管準則說”以及《史記》中對“準”的記載，說明中國人從漢代甚至更早就已經(jīng)熟練使用“準”按照“于四角立植而縣以水，望其高下，高下既定，乃為位而平地”的測量程序進行水準測量，并且在測量過程中為提高測量準確度使用了類似于現(xiàn)代望遠鏡的望筒，解決了小范圍測量或工程營建中基礎(chǔ)、關(guān)鍵性的工作?！稘h書·天文志》中有將入宿度和去極度等表征天體位置的角度值實測至1/10度的記載，漢代的二十四向羅盤配合便捷的距離測量(如步測和繩測)方法，為測量點位提供了便利。公元前一世紀的《周髀算經(jīng)》及三國時劉徽所著的《九章算經(jīng)》中，詳細記述了利用規(guī)、矩等測量工具和勾股定理、相似三角形原理等計算方法測算地勢高低、深遠、面積、體積的基本方法。

唐代著名天文學(xué)家僧一行通過大范圍天文大地測量推翻了“影差一寸，地差千里”的錯誤地理分野觀，元代郭守敬在“四海測驗”中發(fā)明了堪稱現(xiàn)代經(jīng)緯儀鼻祖的“簡儀”和“立運儀”。但直到明末清初西方傳教士來華，大地坐標測量問題一直未能解決，唐代的天文大地測量及元代的“四海測驗”都只進行了北極出地高度的測量(相當于南北方位的緯度測量)，對于東西方向位置測定，元代耶律楚材首次發(fā)現(xiàn)了里差的概念，但需要測量東西方向不同兩地地方時之差，一般需要比較精確的計時器和兩地同時看到的天文現(xiàn)象才能夠?qū)崿F(xiàn)。由于當時沒有可用的精確計時裝置，清康熙年間進行的全國大地測量仍然采用三角測量的方法計算確定，而18世紀法國科學(xué)家在懸賞征求解決這一問題的方法，足見這一問題一直未能解決。

在具體工程測量技術(shù)方面，作為建筑技術(shù)專書的宋代《營造法式》，詳細記載了當時工程營造中定向、定位、定平所采用的測量儀器和具體測量方法，系統(tǒng)介紹了當時完備的工程測量技術(shù)體系[3]。

三、明清之際西方傳教士相關(guān)測繪活動及影響

16-17世紀，正值中國明末清初，社會處于激烈的動蕩和變革之中。此時的歐洲殖民列強，因資本主義經(jīng)濟發(fā)展之需，展開了激烈爭奪海外殖民地、殘酷剝削和掠奪不發(fā)達國家和地區(qū)的活動。他們利用“炮艦政策”直接進行赤裸裸掠奪的同時，利用攻心戰(zhàn)術(shù)在思想和文化方面進行滲透。因“傳教”系其主要思想滲透方式，由此產(chǎn)生了基督教各修會和數(shù)量眾多的海外傳教士。這些傳教士分布在印度、西亞、南亞和東亞的國家和地區(qū)。明清之際(即16-18世紀)派遣到中國的傳教士大約有1 500～2 000人[2]115。這些傳教士分屬耶穌會、多明我會、方濟各會等近10個天主教組織。其中，耶穌會士人數(shù)最多(975人)[4]18、影響最大。耶穌會士入華傳教活動以1552年8月到達廣東上川島的沙勿略開始，影響較大的繼任者有羅明堅、利瑪竇、湯若望、南懷仁、白堊、張誠等。雖然傳教的實質(zhì)是思想傳入和文化侵略，但客觀上對當時的測繪技術(shù)發(fā)展起到了推動作用。

1.大地球形說的傳播

對地球大小、形狀的研究是現(xiàn)代測量學(xué)研究的重要內(nèi)容和現(xiàn)代測量學(xué)定義的主要基礎(chǔ)[5]17。古代人對這一問題的研究也一直沒有停歇。公元前6世紀后半葉，古希臘哲學(xué)家畢達哥拉斯就提出了地球是圓球形的觀點[6]256。大約在畢達哥拉斯后的2個世紀以后，亞里士多德用物理方法論證了地球的圓球形特點。公元前3世紀埃拉托色尼進行了子午線弧長測量，得出地球半徑為6 267千米的結(jié)論。其后，歐洲進入了黑暗的中世紀，宗教寰宇觀下的大地圓盤說占據(jù)了人們的思想。直到16世紀初，偉大的天文學(xué)家哥白尼重新將人們的認識拉回到了大地球形說的軌道上來。這個時候，也正是西方傳教士到中國進行適應(yīng)性傳教工作的開始。

對地球的認識方面，古代中國經(jīng)歷了從蓋天說到渾天說的交鋒、發(fā)展，自西漢至唐、宋、元、明等各個時期都進行過地理緯度測量，但“天圓地方”的思想一直占據(jù)著核心位置[7]。直到清康熙年間的全國性大地測量，首次通過實測發(fā)現(xiàn)了經(jīng)緯一度不等長的事實[8]，為牛頓的地球橢圓說提供了實證[9]。這一工作，也是在西方傳教士協(xié)助下完成的。

西方傳教士是通過《世界地圖》將歐洲大地球形學(xué)說傳入中國的。最先將科學(xué)的《世界地圖》傳入中國的傳教士是意大利人利瑪竇。1583年，利瑪竇居住在肇慶時，受知府王泮之托，繪制了第一幅世界地圖[1]229，命名為《輿地山海全圖》，利瑪竇在南昌和南京居留的5年里，涉及世界地圖修訂的史料記錄有6處之多[2]297，而利瑪竇在中國的28年里繪制的世界地圖總共有12種之多[10]114。這些世界地圖顯然動搖了當時存在于中國人頭腦中的“地平觀”，正如利瑪竇所說：“當他們頭一次看見我們的世界地圖時，一些無學(xué)識的人譏笑它……但更有教育的人卻不一樣……他們承認那張地圖確實表示世界的大小和形狀?！盵11]金尼閣也說道：“直到利瑪竇神父來中國之前，中國人從未見過有關(guān)地球整個表面的地理說明，不管是做成地球儀的形式還是畫在一張地圖的面上?！盵11]

圖1 康熙朝地球儀[13]111

圖2 順治朝地球儀[13]110

另外一個能夠反映大地球形學(xué)說東傳的實物，便是大量地球儀的制造?！对贰分性?jīng)有地球儀的記錄，但直到耶穌會傳教士入華的時候中國一直未能制造過[1]228。利瑪竇在肇慶、韶州、南昌、南京等地傳教期間，就經(jīng)常在他的住所展示天球儀、地球儀、星盤、象限儀、羅盤、日晷等天文儀器，并以此作為禮物送給當?shù)氐恼賳T，他也因此以“精于天學(xué)或天文學(xué)”而得名[12]32，并且還利用銅和鐵制作天球儀和地球儀，以指出地球的形狀[11]，清代宮廷所藏大量地球儀便是明末清初西學(xué)東漸的實證[13]17。

2.先進測繪儀器的傳入

在西方傳教士敲開中國大門的諸多“西洋奇器”中，包含了大量的測繪類儀器。這些測繪類儀器大致分兩類：一是測時類儀器；二是測角類儀器。測時類儀器包括機械鐘和日晷，測角類儀器包括象限儀、半圓儀、全圓儀、望遠鏡等。

測時類儀器是現(xiàn)代大地測量的基礎(chǔ)。眾所周知，天文大地測量、衛(wèi)星定位測量及三維激光掃描測量無一不依賴于對時間的精密測量。圭表、日晷、漏刻是最古老的測時、計時工具。《周禮》中“大司徒以土圭之法測土深，正日景以求地中”及“挈壺氏掌挈壺以令軍井”的記載，說明圭表、漏刻早在周代就被大量應(yīng)用?！端鍟分小八抉R袁充上晷影漏刻……以驗漏水之節(jié)”的記載，是史籍中關(guān)于日晷的最早記載[6]379?？梢?，日晷等計時儀器在中國早已有之。但這些日晷都是用于天象觀測，數(shù)目較少且都為赤道式日晷。毫無疑問，明末傳教士利瑪竇來華的時候，中國還沒有地平式日晷，也沒有如鐘表等這類機械計時器具。這一點可在《利瑪竇中國札記》一書中看出。利瑪竇描述當時中國測時儀器時說：“這個國家只有少數(shù)幾種測時的儀器，他們所有的這幾種都是用水或火來進行測量的”，對于日晷在中國的應(yīng)用，利瑪竇說：“至于日晷，他們知道它從赤道而得名，但還沒學(xué)會怎樣依照維度的變化擺正日晷”[11]。因此，利瑪竇等西方傳教士把各式各樣的日晷和鐘表作為贈送官員和中國皇帝的必備禮品。對此，利瑪竇的日記中多有記載，如“在家里繪制日晷或把日晷刻在銅版上，把它送給各個友好官員，包括總督在內(nèi)”[11]“來參觀教堂的人中，一些人把面向道路的大鐘當做新奇的東西，另一些人則把小鐘當做新奇的東西”[11]“靠他的學(xué)生的幫助，利瑪竇神父制造了各種樣式的日晷，分給了他們。隨后，他又從模子里鑄了許多座，放在各個官員的家里”[11]。利瑪竇為首的西方傳教士帶來了數(shù)量眾多的、與中國傳統(tǒng)赤道式日晷根本不同的地平式日晷和鐘表(圖3～圖4)。

圖3 地平式日晷[13]19

圖4 乾隆朝鐘表[13]240

測角類儀器是西學(xué)東傳的另一類測量類儀器，這類儀器是康熙年間全國性大地測量得以實施的重要基礎(chǔ)。中國漢代就出現(xiàn)了二十四向羅盤，《漢書·天文志》中也有將入宿度和去極度等表征天體位置的角度值實測至1/10度的記載[7]，元代郭守敬的簡儀可作為現(xiàn)代經(jīng)緯儀的先驅(qū)[10]103，但沒有證據(jù)表明當時已將這類高精度測角儀器應(yīng)用于大地測量。雖然我們無法看到利瑪竇當時帶到中國的測角儀器，但據(jù)利瑪竇的記載，我們?nèi)阅芨杏X到測角儀器給中國人帶來的轟動。利瑪竇在其札記中有如下記載：“他們感到驚奇的是，用象限儀就能夠測出一個塔的高度，一條溝或者一個山谷的寬度，或者一條路的長度?！盵11]此外，故宮博物院仍然珍藏著利瑪竇后繼者如湯若望、南懷仁、白堊、張誠等傳教士贈送[14]57或幫助中國清廷制造的大量大地測量測角類儀器，如象限儀、半圓儀、全圓儀、地平經(jīng)緯儀等(圖5～圖7)。這些加上望遠鏡的傳入，毫無疑問直接導(dǎo)致了康熙年間中國第一臺銅質(zhì)經(jīng)緯儀的問世，比英國制成該國第一臺經(jīng)緯儀整整早了15年[15]401。

圖5 半圓儀[13]132

圖6 全圓儀[13]137

圖7 象限儀[13]122

3.參與天文測量及全國性大地測量

中國是天文、歷算學(xué)發(fā)達最早的國家之一，也是最重視天文、歷算的國家。歷法為歷代王朝施政大典，大約平均20年就要修改一次。明代沿用元代郭守敬所編《大統(tǒng)歷》，據(jù)此推算日食月食時刻總出現(xiàn)錯誤。藉此，利瑪竇、湯若望等傳教士協(xié)助徐光啟、李之藻制造了大量天文觀測儀器并在西法天文觀測基礎(chǔ)上編制了《崇禎歷書》[16]41。清代官方天文機構(gòu)欽天監(jiān)在康熙、乾隆年間進行的兩次大規(guī)模天文觀測，分別由比利時傳教士南懷仁和德國傳教士戴進賢任監(jiān)正。以至于李約瑟在其《中國科技史》的扉頁上引用了維也納人弗蘭茨·屈納特的話：“許多歐洲人把中國人看作是野蠻人的另一個原因，大概是在于中國人竟敢把他們的天文學(xué)家放在部長和國務(wù)卿一級的職位上”[1]1，足見西方傳教士對當時天文觀測和制歷的貢獻之大。

傳教士參與的最重要的測繪活動是康熙年間的全國大地測量。測繪由法國傳教士白堊主持，自1708年開始，1717年測繪工作全部完成。測繪人員除白堊外，還有傳教士雷孝思、杜德美以及部分中方人員。測繪范圍包括除新疆哈密以西及西藏部分地區(qū)外的全部大清疆域，根據(jù)測量數(shù)據(jù)編繪成全國地圖及分省地圖各一張。比例尺約為一百四十萬分之一的全國地形圖被命名為《皇輿全覽圖》[17]?！痘瘦浫[圖》被李約瑟認為“不但是亞洲當時所有的地圖中最好的一幅，而且比當時所有的歐洲地圖都更好、更精確”。

康熙年間傳教士協(xié)助完成的全國大地測量，首次在全國范圍內(nèi)布設(shè)了由641處[15]466大地經(jīng)緯度點組成的大地控制網(wǎng)。其中，55處系利用天文觀測直接得到的經(jīng)緯度點，其他點經(jīng)緯度由三角測量推算得到。由于西方時鐘的應(yīng)用，在中國天文大地測量史上首次既實測了緯度(稱為北極出地高度)，又實測了經(jīng)度(東西偏度)。但由于鐘擺不準，需要兩地同時看到同一天文現(xiàn)象(如月食)，加之儀器及測量人員貧乏，所以大部分點的經(jīng)度是靠三角測量(即測量邊長、夾角)推算的。利用這些經(jīng)緯度點作為控制點，在野外用羅盤儀交會目標點，經(jīng)實地勘察，將地物地貌測繪出來。據(jù)此可以看出，當時的測繪遵循了現(xiàn)代測繪中“先控制、后碎部，從整體、到局部”的測量原則。

4.西式測算技術(shù)的傳入

測量技術(shù)的發(fā)展與數(shù)學(xué)的進步相互依賴、相互促進、密不可分。16世紀前，中國數(shù)學(xué)極其發(fā)達，但明代進入了一個嚴重的衰退期，明初甚至連宋元數(shù)學(xué)家遺傳下來的“天元一術(shù)”都無人知曉，以至于既使有人有修改歷法的志愿，也無法實現(xiàn)[14]11。此時來華的耶穌會傳教士大多具備良好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，他們傳入的西方測算技術(shù),結(jié)束了中國古代測量數(shù)學(xué)在封閉的條件下自我發(fā)展的歷史,并踏上了逐步向近代測算技術(shù)轉(zhuǎn)變的歷程[18]。

傳教士所傳入的最重要的測算著作是《幾何原本》。早在1275年，古希臘數(shù)學(xué)家歐幾里得幾何學(xué)就由阿拉伯人傳入了中國[1]329，但此時沒有多少人對此感興趣。因為中國人總是習(xí)慣于用代數(shù)方法考慮幾何問題，數(shù)學(xué)上的陳述主要是用文字寫出的。明末由利瑪竇口述、徐光啟執(zhí)筆翻譯的《幾何原本》，對中國人的思想產(chǎn)生了深遠的影響?！稁缀卧尽穼Υ龠M測量技術(shù)發(fā)展的作用正如徐光啟本人在“刻幾何原本序”中所言：“《幾何原本》者，度數(shù)之宗，所以窮方圓平直之情，盡規(guī)矩準繩之用也?！盵19]4在此基礎(chǔ)上，又翻譯了《同文算指》《測量法義》《測量全義》等測量著作，徐光啟自己編著了《測量異同》《勾股義》等。也正是這個時候，西方的割圓術(shù)、三角術(shù)、三角函數(shù)表、幾何畫法，以及比例規(guī)和籌算等輸入了中國。

清初，傳教士在中國宮廷取得了較高的地位，任欽天監(jiān)監(jiān)正的德國傳教士湯若望將對數(shù)引入了中國。也出現(xiàn)了大量測算方面的著作，如鄒伯奇的《測量備要》、梅方鼎的《三角法舉要》和《勾股測量》、李鴻章著檢的《測量釋例》，以及翟定書著的《測量圖說》等。但康熙年間出現(xiàn)的清廷與教廷之間的禮儀之爭，將中西文化交流的大門逐漸關(guān)閉，學(xué)術(shù)傳教被炮艦政策所取代。

四、晚清中國測繪技術(shù)發(fā)展的基本狀況

19世紀初，伴隨著西方對東方的殖民擴張，基督教新教傳教士取代了明末清初的天主教耶穌會傳教士，掀起了新一輪的西學(xué)東傳。雖然哥白尼的日心說逐步取代了托勒密的地心說，但從乾隆中期開始，我國出現(xiàn)了復(fù)古思潮，忽視科學(xué)測繪方法的傾向顯現(xiàn)，以至于連官方繪制的地圖都不繪制經(jīng)緯線，甚至不用比例尺，測繪技術(shù)方面有要退回到16世紀前的趨勢。

晚清最重要的測繪事件莫過于始于光緒十五年(1889年)的《清會典圖》測繪?！肚鍟鋱D》測繪歷時10年，測量出了分布在縣以上行政機關(guān)駐地的全國經(jīng)緯度點2 000處，測編了《清會典圖》和16個省的地圖集。緯度仍然采用傳統(tǒng)的太陽午正高弧定緯法，經(jīng)度采用月食定經(jīng)度法。碎部測量首次采用了類似于現(xiàn)在的大平板儀測繪法和經(jīng)緯儀配合小平板儀測繪法。但測繪所用儀器主要為代弓繩、指北針匣、指向管尺、半周合矩儀、矩度合象限儀、半周分角板等，同時結(jié)合“一人正路實測，一人從小路繞折實量”的記載[15]479可以看出，中國當時測繪地圖仍主要采用一般勘測的方法，測繪技術(shù)的近代化僅僅停留在宮廷。大量出現(xiàn)的同時繪有經(jīng)緯度線和計里畫方網(wǎng)格的地圖[20]243，以及反映清代皇家大型工程營造技術(shù)的“樣式雷圖檔”中對工程營造測量技術(shù)的記載，也說明了這一點。從圖8、圖9可以看出，當時工程營造測量中仍然采用傳統(tǒng)的測量方法和工具。

圖8 平格法在測量和施工中的應(yīng)用

圖9 營造工程自制水準儀設(shè)計

五、結(jié) 語

毫無疑問，明末清初西方傳教士所進行的科技傳教活動對中國古代測繪技術(shù)的發(fā)展起到了促進作用。以利瑪竇為核心的西方傳教士所進行的“西學(xué)東漸”活動，在中國古代測量技術(shù)現(xiàn)代化方面做了如下貢獻：一是幫助中國人形成了科學(xué)的地球概念；二是建立了科學(xué)投影方法；三是為全域性地圖的實測提供了技術(shù)支持；四是帶來了西方先進測繪儀器，如清宮所藏的大量西洋儀器。

從發(fā)展主線來講，“西學(xué)東漸”活動促使東西方文化產(chǎn)生交流碰撞，傳入和產(chǎn)生的理念和思想被部分先進知識分子所吸納，新式的測繪儀器被宮廷接受，出現(xiàn)了《崇禎歷書》《黃輿全覽圖》等舉世矚目的測繪成果，促進了當時中國測繪技術(shù)的發(fā)展，但大量實事同時說明，這種促進是有限的。在“西學(xué)東漸”后中國古代測繪技術(shù)仍然按照其原有的軌跡在發(fā)展，先進技術(shù)、儀器主要停留在宮廷之中，并未在更大范圍傳播。很長一段時間里，中國測繪活動大多依然采用傳教前的技術(shù)。傳教士活動對于我國整體測繪技術(shù)的發(fā)展促進作用并不明顯。