圭表作为中国古代最具代表性的天文测量仪器之一，其发展历程贯穿了中华文明的数千年历史。从新石器时代先民立杆测影的原始实践，到商周时期制度化的土圭测影；从汉朝制作精密的铜表，到宋代暗室观测的技术创新，直至元代四丈高表的巅峰突破，这一古老仪器的技术演进不仅展现了中国古代天文学的渐进式发展，更折射出中国古代天文学家对天文观测精度的不懈追求。本文将系统梳理圭表测影技术从原始实践到巅峰突破的演进历程，揭示其背后蕴含的科学原理与技术智慧。

左：夏至致日图；右：紫金山天文台明代铜圭表

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立竿见影：原始测影方法的起源与实践

中国先民对日影测量的起源时间目前尚未有明确结论，但考古发现表明这一传统可追溯至新石器时代晚期。最早的日影观测可能始于对自然标志物的利用，后逐渐发展为使用专门仪器——表（即垂直竖立于地面的测影杆）。山西襄汾陶寺遗址（约公元前2100-前2000年）出土的一件残长171.8厘米的漆木杆（编号ⅡM22∶43），经学者研究被认为是迄今发现最早的圭表实物，其功能可能为圭尺。该漆杆通体髹黑漆，表面分段饰以绿色和粉红色漆带，其中第1至11号色段总长39.9厘米（约合陶寺尺1.596尺），与《周髀算经》所载“夏至影长一尺六寸”的记载高度吻合。考古研究表明，这件圭尺可能用于测定春分、秋分、夏至、冬至等重要节气的日影长度。

大汶口文化陶尊及刻符

山西襄汾陶寺遗址出土的漆杆

这一时期的圭表技术尚处于萌芽阶段，其核心测量方法可概括为“立杆测影”——在平整的地面垂直树立木杆（表），通过观测杆影变化来确定时间和方位。甲骨文中的“立中”一词形象地反映了这种测量方式：“中”字形似带绳子的木杆立于地面中心，通过测量木杆影长来判定方位和节气。此外，圭表还用于都城选址。《周礼》记载，周代设有“大司徒”一职专门负责圭表测影，“正日景（影），以求地中”，即通过测量日影来确定“地中”（理想的政治中心位置），为都城选址提供观测依据。商周时期，圭表材质由木质发展为石质，形制也逐渐规范化，但此时“表”（测影杆）与“圭”（测量影长的标尺）仍为分体结构，需组合使用。

左：刻有“立中”的甲骨卜辞拓片；右：甲骨文的“中”字

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铜石之革：两汉时期圭表制度的定型与演进

春秋战国至汉代是中国古代天文测量技术系统化发展的重要时期，其中圭表制度的定型最具里程碑意义。据汉代文献《三辅黄图》记载: “长安灵台……有铜表，高八尺，长一丈三尺”，说明至少至汉代，圭表已经定型，其标准形制为“表高八尺，圭长一丈三尺”。这一标准形制中，“表高八尺”的设计源于人体身高的参照，而“圭长一丈三尺”的规格则与实测数据密切相关：八尺表高在夏至时日影长约1.5尺，冬至时日影长达13尺，恰好与圭尺长度完美契合。这种经过长期观测实践形成的比例关系，标志着圭表技术从经验性使用向规范化测量的重要转变。

汉代圭表技术呈现出三个显著的发展特征：其一，材质革新，出现了更为精密的铜质圭表；其二，结构优化，圭尺与表结为整体，如1965年江苏仪征石碑村东汉墓出土的铜圭表（现藏南京博物院），其表高19.2厘米、圭长34.5厘米的尺寸，正是标准圭表十分之一的精确缩比模型；其三，测量方法改进，《淮南子》记载的“双表法”通过主表与游表的协同使用，在方位测定精度上实现了突破。这些技术进步为后世天文观测奠定了重要基础。

左：东汉铜圭表；右：《淮南子》双表定方位示意图

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分影析微：宋代暗室主副表协同观测的创新

宋朝堪称中国古代天文仪器发展史上的黄金时期。在圭表技术演进历程中，自汉唐至宋初的千余年间，传统圭表始终沿用单一表柱配合水平圭尺的基本结构，其测量精度长期受到太阳半影效应导致的日影边缘模糊问题的制约。沈括通过双重技术创新重构了传统观测体系：其一，首创暗室观测环境。将圭表置于特制密室之内，顶部开设南北向狭缝光道，使日光透过狭缝投射于表端，此举既有效抑制了环境散射光造成的日影虚化现象，又显著提升了投影对比度；其二，创造性地在主表北侧增设副表装置。据记载，副表采用青铜铸造，通高四寸，基座广二寸，南端呈楔形渐缩。当主表日影边际出现半影干扰时，通过微调副表位置，利用其微小形体形成的本影区，可精准消除半影带对主表影长的判读干扰。这一设计比元代郭守敬的“景符”早两百年，体现了其对光学原理的深刻认知，沈括的改进使圭表测影精度进一步得到提升。

沈括主副表测影示意图

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巨表观天：元代高表景符装置的巅峰之作

元朝将中国古代天文仪器技术推向最高水平，尤其在圭表测影领域达到空前精度。郭守敬对传统圭表技术进行了一系列革命性的创新，其中最具突破性的改进包括：将传统八尺表增高至四丈（现存的登封观星台就是实证），并创造性地发明“景符”装置（一种可绕轴转动的带孔铜片），消除了半影干扰，使日影测量精度达到了毫米量级。基于这些精确观测数据，郭守敬测算出回归年长度为365.2425日，这一成果比西方格里高利历的采用提前了三百余年，他主持编订的《授时历》也因此成为当时世界最精确的历法。

郭守敬的技术创新主要体现在以下三个关键方面：

1. 表高革新：四丈高表的设计使日影长度较传统八尺圭表增大至五倍，换算成八尺表的标准后，影长值读数最小值相当于八尺圭表的1/5，理论上可以把影长观测精度提高至5倍；

2. 光学消影：创造性运用小孔成像原理，通过景符装置有效过滤半影干扰，使得影缘清晰度达到前所未有的水平，提升了读数精度；

3. 测量基准优化：将传统的日体上边影测量法革新为日面中心影测量法，使实测数据与历法计算的轨道更加吻合，提高了测量准确性。

这一系列系统性的技术创新，不仅使元代的圭表测影技术达到了古代世界的最高水准，更彰显了中国古代科学家卓越的仪器设计智慧、严谨的科学态度和非凡的创新能力。

河南登封观星台

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结语

从原始木杆到四丈高表，圭表技术的三千年演进历程，不仅展现了中国古代科技发展的卓越成就，更为我们理解中华文明的科学精神和文化价值提供了宝贵的视角。今天，当我们回望这件古老的测影仪器时，依然能感受到先民们对宇宙规律的不懈探索——正如《周易》所言：“观乎天文，以察时变”，这正是中华文明生生不息的精神密码。

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作者简介

朱留斌

中国科学院紫金山天文台科普与后勤中心主任。

轮值主编：袁 强

编辑：王科超

来源: 中国科学院紫金山天文台微信公众号