武漢長江二橋變形監測及成果分析

趙安明，錢華平，姚春才，王 磊

（1.中南勘察設計院（湖北）有限責任公司，湖北 武漢 430071）

武漢長江二橋變形監測及成果分析

趙安明1，錢華平1，姚春才1，王 磊1

（1.中南勘察設計院（湖北）有限責任公司，湖北 武漢 430071）

介紹了武漢長江二橋變形監測的內容、實施過程，對主塔垂直度測量等關鍵技術與傳統測量進行比較分析，說明相關測量工作的有效性、精密性與可靠性。通過對變形監測成果的深入分析與探索，提出了相關有益的結論與建議。

武漢長江二橋；變形監測；主塔垂直度測量；成果分析

為經濟建設發展的需要，交通作為我國基礎性投資在近20多年中得到迅猛發展，橋梁是公（鐵）路建設的重要組成部分，在交通建設中具有舉足輕重的作用。城市橋梁具有交通繁忙、通車流量大等特點，對橋梁的維護、保養及維修是橋梁運營管理的重要任務。而變形監測是橋梁維護的重要基礎性工作，同時作為橋梁維修的數據支撐和重要依據，對橋梁的運營與管理具有十分重要的意義。

1 武漢長江二橋簡介

武漢長江二橋是繼武漢長江大橋后在武漢興建的第二座長江大橋。于1991年動工興建，至1995年7月建成通車。

該橋是武漢市內環線的重要跨江通道，北起漢口黃浦路，跨越長江至武昌徐東路，全橋總長為4 678 m，其中正橋1 877 m、南引橋861．14 m、北引橋1 939．86 m，主橋為雙塔雙索面鋼筋混凝土斜拉橋，跨徑為180 m +400 m +180 m。橋面寬26．5～33．5 m，設6 車道，預計日通車能力5萬輛次。目前日通車流量約10萬輛次，最高日通車流量達17萬輛次（2007年）。

由于長期超負荷運行，造成長江二橋存在各種損耗，武漢長江二橋較大的維修共進行了3次，分別是2003年夏季的橋面黑色化鋪裝；2006年9月至2007年8月的橋梁結構加固維修；2013年9月至2014年7月的大橋橋面、附屬設施及主橋斜拉橋段的維修。

為了大橋運營管理的需要，從 1999年12月開始對全橋進行變形監測[1]，從開始每年進行1次的變形監測（常規檢測），到重點部位的變形監測、維修施工監測等，進行了大量的測量工作。為武漢長江二橋的維修決策提供了重要依據，為維修施工監控提供了及時保障，為檢驗維修設計、驗證維修效果提供了重要的數據支持。

2 變形監測的內容

變形監測分正橋變形監測和引橋變形監測兩大部分。因大部分引橋（除17#～18#跨過武昌北火車站外）跨度小，其橋墩及橋面變形也較小，本文重點介紹正橋的變形監測情況及成果。

正橋變形監測的內容包括橋面線形測量、橋墩沉降觀測、橋面水平位移測量、11#、12#主塔變形監測、施工期變形監測、重點部位變形監測等。

2.1 橋面線形測量

正橋從北起0#橋墩（漢口橋頭堡）～16#橋墩（武昌橋頭堡），其跨距為62．5 m+5×60 m+60．5 m+83．5 m+ 2×130 m+180 m+400 m+180 m+2×130 m+85．5 m。

全橋橋面共布設線形（沉降）觀測點308個，分上、下游兩邊布置。從0#墩～10#墩共布設線形觀測點84個，分別在橋墩、1/4跨、跨中、3/4跨布設，觀測點布設在人行道邊的側沿石上；10#墩～13#墩（斜拉橋的主跨與邊跨）共布設線形觀測點198個，除橋墩、跨中外，在每個斜拉索與橋面的結點處布設線形觀測點；13#～16#墩共布設線形觀測點84個，分別在橋墩、1/4跨、跨中、3/4跨布設。

2.2 橋墩沉降觀測

0#～16#共17個橋墩的沉降觀測，除漢口岸0#墩～4#墩、武昌岸15#、16#墩在江灘（陸地）外，其余橋墩均位于長江水流中。測量橋墩的沉降量是通過橋面對應的橋墩觀測點的線形測量，采取一些技術措施間接獲得的。

2.3 橋面水平位移測量

將橋面線形觀測上游（一側）的觀測點兼作位移觀測點，共計154個，主要測量橋面的橫向位移。

2.4 11#、12#主塔變形監測

武漢長江二橋主塔為“H”型塔柱，塔高153．6 m，每塔24對斜拉索“托”起主跨和邊跨箱梁。

主塔垂直于橋軸線方向的中心軸對稱面應為垂面，但由于拉索受拉力的不對稱造成塔柱的傾斜，需對塔柱進行垂直度（塔偏）測量；由于溫度的影響，對主塔進行24 h的跟蹤觀測，以了解塔柱受光照及溫度變化的變形規律及變形值。

2.5 維修施工的變形監測

2006年1 0月開始的箱梁加固維修、2013年的橋面（減荷）、附屬設施及斜拉索維修的施工監測是確保大橋安全及維修順利進行的前提。在2013年的橋面維修中，大部分橋面監測點遭到破壞，更換橋面監測點、銜接監測數據是橋梁后續監測的需要。

2.6 重點部位變形監測

武漢長江二橋9#～10#、13#～14#鋼構及17#～18#引橋的跨中沉降量較大、撓度大，是變形監測的重點部位，對其進行較高密度的監測是防止其從量變到質變、確保橋梁運營安全的重要監測工作。

3 變形監測的實施

武漢長江二橋變形監測從1999年12月開始實施，起初為每年觀測1次的常規監測，主要監測橋面線形、橋墩沉降及主塔變形等，2006年大橋維修前增加了重點部位監測及施工過程監測等內容。

3.1 水準基點的埋設

武漢長江二橋水準基點于1994年埋設。當時武漢長江二橋建設指揮部采納復測單位（中南勘察設計院）的建議，要求施工單位在漢口、武昌各埋設1個水準基點。水準基點采用鉆孔灌注樁，樁徑為武昌1．0 m、漢口1．2 m，樁深46 m，至中風化礫巖。

南北兩岸水準基點的聯測采用二等跨河水準測量，并在1995年6月大橋貫通后、通車前，通過橋面進行直接二等水準聯測，橋面聯測與跨江水準構成閉合環，閉合環的閉合差約3 mm。通過施工控制網的高程點將高程（黃海高程系）傳遞到兩岸水準基點上。

3.2 高程控制網測量

漢口岸由基準北、Ⅰ長委、Ⅰ燈東、Ⅰ燈西、Ⅰ海關5點構成北岸水準網，其中基準北為深埋基準點，Ⅰ長委、Ⅰ海關為施工控制網的水準點，Ⅰ燈東、Ⅰ燈西為新埋工作基點。按一等水準測量要求構成北岸閉合環。

武昌岸由基準南、QBM5、QBM7、QBMA共4點構成南岸水準網，其中，基準南為深埋基準點，QBM5、QBM7為施工控制網的水準點，QBMA為新埋工作基點。按一等水準測量要求構成南岸閉合環。

按二等水準測量要求進行跨河水準測量。跨河水準測量采用（改進）“經緯儀傾角法”，以2臺TC2003全站儀同時對向觀測。另外，為增加視線高（與水面的距離），加測覘牌與測站的距離，允許視線傾斜（仰角小于1°）；后期也采用GPS方法進行跨河水準測量。

一般來說，若深埋基準點足夠穩定，以深埋基準點作為固定點，以其他水準點作為工作基點，每次觀測時將工作基點的高程進行修正即可作為各觀測點的起算點。因此，南北兩岸閉合環的觀測按一等水準要求進行測量。兩岸基準點的跨河水準聯測主要考慮基準點的穩定性與可靠性。橋面線形測量以二等水準與基準點連接，以及通過跨河水準測量可構成總閉合環（橋面線形測量自身多個小閉合環）。因此，跨河水準測量按二等跨河要求測量。

3.3 沉降觀測

橋墩沉降、橋面線形測量等相關觀測點高程測量均按二等水準的要求進行測量。

在測量過程中，為不對交通產生較大的影響，在開放交通的條件下，為了克服車流引起的橋面震動對測量精度的影響，確保變形監測成果的準確性與可靠性，采用的技術措施有：①選用性能良好的自動安平水準儀（前期選用Nioo7水準儀，后期選用DINIO3電子水準儀），在沉降觀測前對水準儀及銦鋼水準尺進行了全面檢驗與校正，儀器i角小于8"，水準尺零點差小于0．1 mm。其他各項技術指標符合規范要求，儀器性能良好；②縮短視線長度，一般將視線長度控制在15 m以內；③夜間作業。對于斜拉橋部分必須夜間作業，且需進行多次（2次或以上）測量；④觀測時記錄環境狀況，如觀測時的起止時間、氣溫、車流等情況。車流的計算采用如下辦法：在觀測時間段內，記錄5 min單向通過的車輛數乘以24，得出每小時車流量。斜拉橋段多次測量取平均值時以環境為權重進行平差計算。

由于橋梁觀測點多且密度大（正橋觀測點308個，引橋觀測點452個），不宜將每個觀測點都作為水準測量的中轉點（測站點太多，增加了誤差積累）。觀測點作為間視點時造成了前、后視距的不等，通過i角改正的方法消除視準軸與水管準軸不平行性誤差，其方法是每天在沉降觀測前和觀測結束后測定2次儀器i角，2次測量的儀器i角之差小于5"時說明儀器穩定，取i角平均值進行讀數改正后再進行高程平差計算，否則應更換儀器重新觀測。

由于采取了相應的技術措施，橋面線形測量構成了多重閉合環，觀測點相對于起算點都小于1．5 km，最弱觀測點的高程中誤差一般小于±1．0 mm。

3.4 平面控制網測量

平面控制網由11個基準網點構成，其中，GPS1～GPS4為岸上基準點；C5、C6為原施工控制網控制點；S1、S25、S78、S131、S140為橋面橫向水平位移的工作基點，并兼作水平位移觀測點。

采用7臺雙頻GPS接收機分時段靜態觀測，每時段觀測2 h以上。共觀測獨立基線向量29條，構成18個異步環，各項技術指標滿足《工程測量規范》及《全球定位系統城市測量技術規范》中的二等作業規定及精度要求。

3.5 橋面水平移觀測

以工作基點S1、S25、S78、S131、S140為測站點，采用TC2003全站儀按基準線法測量其他各橋面觀測點的位移量。

應注意的是每次觀測時應以相同的測站點觀測相對應的觀測點，以消除起算點的誤差對觀測點的影響；同時，橋面位移測量的精度主要受測角誤差的影響，應提高測角的儀器等級及增加角度測回數。橋面位移最弱點的中誤差一般小于±3．0 mm。

3.6 塔頂（擺動）跟蹤測量

由于11#、12#主塔受光照、索力的影響，因塔柱南北受熱不均勻、索力影響不對稱等，對塔柱塔頂進行24 h跟蹤監測，了解塔頂變形規律對分析橋梁斜拉索部分受力、橋梁的變形產生的原因與機理有一定的意義，對橋梁的設計驗證有一定的作用。

塔頂跟蹤監測時間的選定一般應符合下列幾個條件：①與索力檢測同步進行；②選定在晴天晝夜溫差大的日期進行；③最好在夏天進行，但同時也應該在其他季節進行監測比較分析。

以TC2003 全站儀按極坐標法測量塔頂棱鏡，每0．5 h觀測一次。觀測時應注意：①應經常性地整平儀器和檢查零方向，避免儀器長時間架設及觀測墩受熱不均勻引起儀器氣泡的偏離和零方向的偏離；②觀測時為了獲得晝夜的完整資料，一般應多觀測2 h。

3.7 塔柱垂直度觀測

由于武漢長江二橋11#、12#主塔位于長江中間，無法按常規的經緯儀投點法進行主塔垂直度測量。

前期主塔的垂直度測量采用交會法。交會法因諸多缺陷使得2次觀測結果（相差不到一年）差別較大，甚至出現反向的結果。前兩次結果精度差，基本不可信。

在分析了交會法的缺陷后采用了免棱鏡縱向坐標法測量，較好的解決了主塔垂直度的測量問題 。在原11#、12#主塔垂直度觀測中，交會法存在的缺陷有：① 因無法在塔柱頂部及中部邊緣安裝反射棱鏡，交會法只能采用角度交會。而塔柱的角部不是棱角而是圓弧，使得照準困難（不同測站照準的不是一個位置）。②武漢長江二橋的塔柱是上窄下寬，上部、中部、下部交匯點不在一條“垂線”上，而是一條空中折線，必須通過空中三維坐標的計算來求解主塔對稱面的垂直度，角度交會時無法確定交匯點的高程，因此垂直度的計算存在較大的誤差。③由于平面基準點距離塔柱較遠（1 km以上），對測角的精度要求很高；角度觀測的檢核條件不足，無法判斷測量的效果。④交會圖形的強度不夠，交會角小于30°，當交會角較小時，縱向誤差較大，縱向坐標恰是垂直度測量的關鍵，因此嚴重影響垂直度的測量精度。而免棱鏡坐標法克服了上述缺點，取得了可靠的垂直度測量成果（限于篇幅，以后專文介紹垂直度測量方法和精度）。

3.8 重點部位的變形監測

因9#～10#、13#～14#鋼構及17#～18#引橋跨中沉降量較大，撓度最大達34 cm（2006年），因此，對上述3跨應加大密度、重點監測，摸清3跨的變形規律，對橋梁的運營安全及維修決策十分重要。

從2006年1月開始，每月觀測1次，持續至2007年10月維修完成，后改為每季度觀測1次。

因此，3跨主要測量跨中撓度（每跨除本跨10個觀測點外，外延臨跨觀測4點），測量時以相對穩定的橋墩觀測點作為起算點，進行獨立閉合二等水準測量。

3.9 維修施工的變形監測

因2006年1月武漢長江二橋9#～10#、13#～14#鋼構及17#～18#引橋跨中沉降量較大，撓度最大達34 cm（17#～18#跨度125 m、撓度35 cm，9#～10#跨度130 m、撓度26 cm，13#～14#跨度130 m、撓度28 cm。），市政府決策于2006年9月開始進行結構加固維修。

在維修前，從2006年1月開始，每月對上述三跨進行橋面線形觀測1次，持續觀測至2007年2月。維修過程中，因2#～3#箱梁上游底部開孔及14#～15#箱梁下游底部開孔（吊入加固材料），在開孔過程中需對局部橋面進行24 h跟蹤監測。

2013年9 月開始大橋橋面及附屬設施進行維修，維修前對全橋進行了一次測量（線形、橋墩及主塔垂直度），至2014年7月維修完成后再次對全橋進行全面觀測；在維修期間，9#～10#、13#～14#鋼構及17#～18#引橋等重點部位每月進行1次監測。

由于橋面人行道更換（減荷），大部分觀測點遭破壞，為保持觀測成果的連續性，需進行觀測點的轉換測量，在人行道側沿石上觀測點遭破壞前，在側沿石下的橋面上埋設過渡觀測點，同時觀測原觀測點與過渡點；2個多月后人行道更換完成，重新在人行道側沿石上焊接觀測點（為減荷改為鋼板人行道），同時觀測過渡點與新觀測點。這樣，將監測成果進行了無間斷連接。

載荷試驗的監測：大橋維修完成后，在主跨、邊跨及鋼構分別加載18輛30噸的車輛測量主跨、邊跨及鋼構的下撓及卸載時的回彈情況；另需測量加載時和卸載時的主塔偏位情況。

4 變形監測的相關問題及關鍵技術

對武漢長江二橋長期的多次觀測，發現了諸多問題，通過對問題的深入分析研究，使問題得以解決，為特大橋梁的變形監測積累了可供借鑒的經驗。

4.1 北岸水準基點的穩定性問題

北岸水準基點的穩定性測量采用如下方式：①通過GPS方法的跨河水準；②通過橋面線形測量的聯測；③通過北岸工作基點的聯測分析；④通過武昌岸、漢口岸橋墩沉降觀測點沉降量的比較分析。

綜合上述幾種方法的測量及資料分析，北岸基準點從2000年12月至2007年11月北岸水準基點共沉降22．3 mm。

分析其下沉的原因可能有以下幾點：①地質問題，該點或許剛好位于地質斷層帶上。②施工中的質量問題，斷樁或樁端殘存物未清理（因自重大造成的沉降）。③外力作用。

解決方法是從南岸水準基點統一推算。具體措施：深埋基準點以樁徑0．6～0．8 m為宜，并應注重樁端的清理。也可以采用小口徑鋼管樁組+承臺作為水準基點，增強其穩定性（已在其他橋梁監測中得到驗證）。

4.2 正橋橋墩沉降觀測問題

因正橋大部分橋墩都在長江中，橋墩觀測點無法埋設與觀測。只能埋設在橋墩對應的橋面，因為受熱膨脹的影響，夏天比冬天的點位要高（溫度改正達5 mm），橋墩高程點必須考慮溫度改正，將各期高程統一到某一固定的溫度上（需要指出的是溫度應是墩體的溫度，而不是氣溫）。

4.3 主塔垂直度觀測問題

前已述及，經緯儀投點法和交會法不適于武漢長江二橋主塔垂直度觀測。通過免棱鏡全站儀測量空間坐標的辦法能較好地解決主塔垂直度測量。

兩組治療前的PAgT、PT、PT‐INR、D‐D差異無統計學意義；治療后，兩組PAgT及D‐D降低，PT及PT‐INR延長，同組治療前后比較差異均有統計學意義（P＜0.05）；觀察組PAgT、PT、PT‐INR均高于對照組，差異具有統計學意義（P＜0.05）；兩組治療后D‐D差異無統計學意義。見表1。

其原理是在主塔兩邊、沿橋軸線方向選定兩點作為測站點，測定其距離建立橋軸坐標系。通過測定迎面主塔上、下游塔柱的上部、中部、下部6點的空中坐標，及背面6點的空中坐標。通過兩測站點的距離、兩面的縱坐標及塔柱的設計寬度作為檢核條件，可判斷測量的質量和精度。

通過計算，求出主塔的橫向軸對稱面，從而確定主塔的垂直度。實際測量中，為提高精度和增加檢核條件，在橋面兩邊布設4個測站點。

4.4 17#～18#引橋線形測量問題

在2006年1月至2007年1月每月1次的線形（沉降）測量中，從1月到7月17#～18#引橋跨中隨溫度的上升而上升。跨中相對于橋墩觀測點最大累計上升19．14 mm，從7月到1月則以較大的量值下沉（半年下沉31．02 mm），即17#～18#引橋跨中呈螺旋式下沉（上升—較快地下沉—再上升）。通過維修中的巡視發現是17#墩、18#墩支座法蘭盤失效引起的現象。并于2008年6月更換了橋墩支座，上述現象消失。由此可見監測的數據精度與可靠性對橋梁變形監測的重要性。

5 變形監測成果分析

武漢長江二橋多年的變形監測中，對不同部位的測量次數也不相同。

5.1 橋墩沉降

多年來，武昌岸引橋橋墩最大累計沉降量9．39 mm，最小累計沉降量3．84 mm；漢口岸引橋橋墩最大沉降量12．04 mm，最小沉降量4．67 mm；正橋橋墩最大沉降量11．3 mm，最小沉降量3．4 mm，說明橋墩沉降量較小。

5.2 正橋橋面線形

正橋橋面沉降比較復雜，1#～9#墩對應的橋面其跨中最大沉降（相對于橋墩觀測點）45．8 mm，最小沉降16．6 mm，9#～10#跨中沉降227．4 mm，10#～11#最大上升150．6 mm（邊跨17#索），主跨11#～12#跨中沉降214．5 mm，12#～13#最大上升155．7 mm（邊跨17#索），13#～14#跨中沉降242．1 mm，14#～15#跨中上升8．2 mm，15#～16#跨中沉降40．6 mm。

10#～13#墩對應的是斜拉橋部分的主跨與邊跨，9#～10#、13#～14#為斜拉橋外延的鋼構，其跨距為130 m+180 m+400 m+180 m+130 m，呈對稱結構。其變形量較大，橋面的變形也呈對稱形狀。

5.3 主塔垂直度

主塔與橋軸線方向垂直的對稱面應該是垂直面，但由于受斜拉索拉力及橋面線形的變化，主塔的不垂直量稱作“偏位”。主塔的垂直度測量又稱“偏位測量”。

通過免棱鏡空間坐標測量與計算，11#塔頂向主跨跨中偏離117 mm（上、下游塔柱的平均值），12#塔頂向主跨跨中偏離182 mm（上、下游塔柱的平均值）。

這與橋面線形的測量結果是一致的，主跨的沉降、邊跨的上升使得兩主塔塔頂向中間（跨中）靠。通過定量計算，拋開施工時的誤差、拉索的伸縮性及竣工后的監測空檔期，其塔柱的偏位與橋面線形的變化具有較高的一致性。

5.4 主塔柱頂部的擺動

由于受日照、索力的影響，主塔塔頂呈橢圓形軌跡運動。總體來說，日照對塔頂的“擺動”影響明顯，當太陽光強烈時，塔柱面向太陽的部分溫度高于背向太陽的部分，受熱脹冷縮的影響，塔頂就會向背向太陽部分偏離。24 h跟蹤測量的結果表明，塔頂的運行軌跡一般滯后光線照耀方向1 h左右。這是因為塔柱溫度的峰值與光線照耀的時間滯后。夏天時，主塔塔頂的最大擺動幅度約60 mm（橢圓的長軸為南北方向，約60 mm；短軸約35 mm，東西方向）。

5.5 橋面位移

橋面橫向位移也受溫度、風向和索力的影響，一般在±8 mm以內波動，呈彈性變化，對橋梁的安全尚不構成影響。

5.6 重點部位的撓度

9#～10#、13#～14#鋼構及17#～18#引橋因其撓度大、跨中下沉嚴重，進行了2006年的結構加固維修和2013年的卸載維修。通過竣工測量資料及歷次監測資料，上述3 跨各時期的統計如表1～3，其中撓度取上、下游平均值。

表1 9#～10#段撓度

表3 17#～18#段撓度

5.7 橋梁維修的效果

從上述統計可以看出，9#～10#、13#～14#鋼構及17#～18#引橋竣工時（因只有正橋進行了竣工測量，17#～18#引橋無撓度量化值）撓度已存在，三跨撓度是逐漸增加累計的過程。1995-07～1999-12跨中年平均沉降為24 mm以上；1999-12～2007-02年平均沉降約17 mm；2007-02～2008-02錨固張拉期間跨中略有回彈；2008-02～2013-11跨中以每年約7 mm的速率沉降；2013-11～2014-05橋面人行道卸載，各段沉降量較小；2014-05 跨中以每年2～7 mm的速率沉降。

2006年結構維修、錨固張拉時，跨中最大約有10 mm回彈，逐步恢復到沉降，維修使原來年沉降速率17 mm降為7 mm。

2013年的橋面及附屬設施維修時，斜拉橋主跨部分回彈明顯，最大回彈58 mm，上述3跨沒有回彈，但跨中沉降速率有所降低。

綜上，2006年的大橋結構維修對降低9#～10#、13#～14#鋼構和17#～18#引橋跨中沉降速率效果明顯，2013年維修對主跨及邊跨的效果明顯，對上述3跨的跨中沉降有減緩效果。

6 結 語

在特大橋的運營管理過程中，橋梁的變形關系到橋梁的安全，變形監測是最直接、最有效、最可靠的監控手段（索力監測、測試等是間接測量），變形監測必須要有完善的方案、足夠的可靠性和精密性，應為橋梁的運營管理和決策提供可信的監測成果。目前自動化監測系統是未來橋梁變形監測的發展趨勢，由于橋梁變形監測屬于精密工程測量，而自動化監測系統高程精度尚不足夠。尤其對于病害橋梁，對局部監測（比如上述尋找17#～18#引橋的變形規律）要求高精度測量，因而常規精密工程測量仍是橋梁變形監測的重要手段。

[1] JTG H11-2004．公路橋涵養護規范[S]．

[2] JTJ/T8-2007．建筑變形測量規范[S]．

[3] GBT12897-2006．國家一、二等水準測量規范[S]．

[4] 李青岳,陳永奇．工程測量學（修訂本）[M]．北京：測繪出版社,1995

[5] 陸學智,趙安明．武漢長江二橋的復測監理工作[J]．測繪工程,1996(4)：1-7

[6] 趙安明．電磁波測距有關問題討論[J]．勘察科學技術,1998(4)：45-48

[7] 趙安明,胡文禮．從前方邊角交會的精度來探討《規范》對邊角網的圖形規定[J]．勘察科學技術,2002(1)：46-52

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B文章編號：1672-4623（2017）06-0001-05

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.06.001

趙安明，正高職高級工程師，注冊測繪師，主要從事測繪技術管理及精密工程測量的研究與實施。

2017-05-08。