岩土力学 ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (7): 2515-2524.doi: 10.16285/j.rsm.2025.0778CSTR: 32223.14.j.rsm.2025.0778

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基于三重特征高效融合U²-Net模型的岩石裂隙图像识别方法

石昌鑫1, 2,彭宗桓1, 2,叶祖洋1, 2,李策1, 2   

  1. 1.武汉科技大学 资源与环境工程学院,湖北 武汉 430081; 2.武汉科技大学 冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室,湖北 武汉 430081
  • 收稿日期:2025-07-23 接受日期:2025-10-15 出版日期:2026-07-13 发布日期:2026-07-15
  • 通讯作者: 叶祖洋,男,1988年生,博士,教授,主要从事裂隙岩体渗流及多场耦合机制研究。E-mail: yezuyang@wust.edu.cn
  • 作者简介:石昌鑫,男,2000年生,硕士研究生。主要从事岩石裂隙图像识别研究。E-mail: changxin_wust@163.com
  • 基金资助:
    国家自然科学基金资助项目(No.52479110)

Rock fracture image recognition method based on triple feature efficient U2-Net-fusion model

SHI Chang-xin1, 2, PENG Zong-huan1, 2, YE Zu-yang1, 2, LI Ce1, 2   

  1. 1. School of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan, Hubei 430081, China; 2. Hubei Key Laboratory for Efficient Utilization and Agglomeration of Metallurgical Mineral Resources, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan, Hubei 430081, China
  • Received:2025-07-23 Accepted:2025-10-15 Online:2026-07-13 Published:2026-07-15
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (52479110).

摘要: 针对现有岩石裂隙识别方法中存在的特征融合不足、细节信息丢失、背景噪声干扰及计算效率低等问题,提出一种基于三重特征高效融合U²-Net(triple feature efficient-fusion U²-Net,简称TFE-U²-Net)模型的裂隙识别方法,并结合基于裂隙灰度特征预选区域(gray-based fracture region preselection,简称GFRP)图像预处理算法以优化大尺寸高分辨率图像的处理效率。具体改进包括:(1)在U²-Net框架中引入三重特征融合(triple feature fusion,简称TFF)机制,增强多尺度特征提取能力;(2)嵌入高效通道(efficient channel attention,简称ECA)注意力模块,抑制背景噪声并提升特征表达能力;(3)采用深度可分离卷积替代传统卷积,显著降低模型复杂度。基于自建岩石裂隙图像数据集,通过消融试验与对比分析验证模型性能。试验结果表明:所提方法的模型参数量较原始U²-Net减少39.2%,同时精确率交并比IoU与F1分数(F1-score)分别达到81.07%和89.55%,显著优于对比模型。三重特征融合机制有效缓解了细节信息丢失问题,而ECA模块使模型在噪声干扰下仍保持鲁棒性。

关键词: 裂隙识别, 特征融合, U2-Net模型, 深度可分离残差块, 灰度特征

Abstract: To address the challenges of inadequate feature fusion, loss of fine-grained details, background noise interference, and suboptimal computational efficiency in existing rock fracture identification methods, the present study proposes a fracture recognition approach based on the triple feature efficient-fusion U²-Net(TFE-U²-Net) model. This approach is integrated with an image preprocessing algorithm based on gray-based fracture region preselection(GFRP) to significantly enhance the processing efficiency for large-scale, high-resolution images. The proposed improvements include: (1) integrating a triple feature fusion (TFF) mechanism into the U²-Net framework to strengthen multi-scale feature extraction; (2) embedding an efficient channel attention (ECA) module to suppress background noise and enhance feature representation; and (3) replacing standard convolutions with depthwise separable convolutions to significantly reduce model complexity. Based on a self-constructed rock fracture image dataset, ablation studies and comparative experiments were conducted to validate the model’s performance. Experimental results show that the proposed method reduces the model parameter count by 39.2% compared to the original U²-Net, while achieving IoU and F1 scores of 81.07% and 89.55%, respectively—significantly outperforming baseline models. The TFF mechanism effectively mitigates detail loss, and the ECA module enhances the model's robustness under noisy conditions.

Key words: fracture recognition, feature fusion, U2-Net model, depthwise separable residual block, grayscale features

中图分类号: TU 452
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