海上风力涡轮机、潮汐能发电装置和浮动太阳能电站的可持续发展，以及石油、天然气和天然气水合物等化石燃料的持续海上开发，使得岛屿城市对海洋能源资源的依赖日益增加。作为供应天然气、石油、淡水和电力的关键基础设施，海底管道和电缆的可靠稳定运行对于岛屿城市的能源安全及海洋环境保护至关重要（Feng等人，2017；Lu等人，2019；Xu等人，2023，2025）。然而，由于腐蚀、海流侵蚀、人类活动和地质变化等因素的长期影响，海底管道和电缆的外表面不可避免地会出现变形缺陷，这对这些结构的安全构成了重大威胁（Brockhaus等人，2014；Ge等人，2025；Kang等人，2023；Wang等人，2015；Yan等人，2020；Zhou等人，2025）。目前的检测技术主要分为两类：内部检测和外部检测。内部检测技术基于变形、磁通量泄漏、超声波和涡流等原理（Amaechi等人，2023；Coramik和Ege，2017；Fan等人，2023；Ho等人，2020；Ma等人，2021；Yuan等人，2023；Zhu等人，2024）。依赖单一技术的管道检测存在许多技术限制，如盲区、效率低下、精度差以及无法有效检测薄壁缺陷（Li等人，2018）。为此，设备供应商整合了多种内部检测技术以互补使用，如图1所示的美国TDW公司的内部检测机器人（Song等人，2018）。然而，这些方法仍无法满足缺陷定量表征和高精度测绘的要求。内部检测的通行性也是一个重大挑战；堵塞可能导致巨大的维修成本（Kazeminasab等人，2021）。此外，内部检测在检测管道外部缺陷方面存在固有局限性，且不适合在浑浊水域中对管道变形进行测绘。
水下管状结构的外部检测大致可分为广泛测绘和近场精密测绘。前者主要采用声学方法，包括底质剖面仪、侧扫声纳和多波束声纳系统，用于大规模的海底地形和结构测绘（Feng等人，2023；Jacobi和Karimanzira，2014；Zhang等人，2022）。其基本原理是通过接收和传输声波来获取声纳图像，然后用于确定安装模式、现场跨度高度和局部暴露情况。尽管基于声学的测绘方法具有良好的实时能力，但尚无法实现声纳数据的实时3D转换和呈现。此外，声学方法的准确性受到波束角度、水深、测量精度和海上定位精度等因素的显著影响（Chen等人，2021；Jing，2018；Kasetkasem等人，2021；Li等人，2022；Zhang等人，2017）。近场测绘主要依赖潜水员或遥控潜水器（ROV），由潜水员或ROV部署专门的检测设备进行水下调查（Antony Jacob等人，2021；Lin等人，2022）。然而，这种方法受到水深和水下作业时间的限制，在适应各种海况方面表现不佳。此外，其操作效率较低，测绘精度相对一般，成本难以控制，且水下能见度对检测结果有很大影响。
总之，上述检测方法不适用于海况恶劣和水质高度浑浊的区域（Liu和Kleiner，2013）。开发新的检测技术所需的创新设备已成为重要的研究方向。其中，构建用于检测的海底干燥栖息地被认为是克服浑浊海洋环境中管道检测挑战的最有前景的解决方案。
海底干燥栖息地是指安装在水下的封闭舱室，可为人员、设备和材料提供工作、生活和安全的必要设施（Adler，2020；Berge等人，2009；High等人，1973；Peiwen等人，2023）。这种栖息地起源于潜艇研究，随后在深海潜水领域得到了发展和重视，从而开发出了多种海底居住模块，如图2所示。由于军事和商业领域的潜在增长，政府、公司和研究机构对此进行了广泛研究。
荷兰DCN公司设计的水下管道修复干燥栖息地采用了密封门和底部固定操作等设计。然而，这些栖息地通常体积庞大且重量较重，增加了对管道的操作风险。此外，涉及密封门的作业需要潜水员长时间浸泡在水中，增加了时间成本并带来了额外的安全风险（Guo等人，2024；Liang等人，2010）。因此，采用Nautilus那样的夹紧设计可以快速密封，潜水员只需潜水检查密封效果即可。
在中国，关于水下干燥栖息地焊接的研究主要由北京石油化工技术研究院、北京化工大学和哈尔滨工业大学开展。20世纪80年代，哈尔滨工业大学率先在高压测试栖息地内开展了电弧特性、焊接冶金行为和接头性能的研究。北京石油化工技术研究院通过引入高压脉冲焊接中的纵向磁场来提高熔滴过渡和熔池结晶，如图3左侧所示。2008年，北京石油化工技术研究院与上海交通大学合作设计了用于管道修复的干燥栖息地系统，如图3右侧所示，该系统可用于水下油气管道和桩结构的焊接修复。其主要应用于管道的干燥栖息地焊接修复，因此没有集成高精度管道测绘功能。
在中国舟山海域，铺设了大量的海底管道和电缆，用于输送化石燃料、水和电力。其中，某些点的Cezhen海底管道在在线检测（ILI）过程中发现了明显的变形。但对外部缺陷的信息了解有限，而这些信息对于有效的修复和加固至关重要。因此，迫切需要一种有效的解决方案。
舟山海域地形复杂，导致潮汐流速快且水流变化大。此外，长江和钱塘江的泥沙在潮汐作用下产生高度浑浊的水域，能见度极低。现有的外部管道检测方法（如声学、CT和光纤技术）存在多种局限性。声学方法精度和清晰度不足，CT扫描成本高昂且技术难度大，光纤监测在这种条件下难以部署和解释。高浊度进一步加剧了这些技术的局限性，降低了它们的准确性。
光学测绘目前是一种高精度且成本效益高的方法，但在浑浊水域中完全失效。为了解决这一挑战，我们的项目提出使用水下干燥栖息地为光学测绘提供受控环境（Zhu等人，2025a，2025b）。该解决方案旨在满足在浑浊水域中对管道缺陷进行清晰、便捷、快速、高精度和低成本测绘的重大需求。
通过建立水下干燥栖息地，我们可以减轻恶劣条件（如浑浊水域和湍流）对管道检测的影响。然后可以部署3D成像技术，捕获管道外表面的高精度点云数据。这种方法实现了非接触、无损、高精度的3D测绘，能够适应不同的检测需求。
