基于改进U-Net网络的隧道裂缝分割算法研究

作     者：常惠 饶志强 赵玉林 李益晨 CHANG Hui;RAO Zhiqiang;ZHAO Yulin;LI Yichen

作者机构：北京联合大学北京市信息服务工程重点实验室北京100101 北京联合大学城市轨道交通与物流学院北京100101 

出 版 物：《计算机工程与应用》 (Computer Engineering and Applications)

年 卷 期：2021年第57卷第22期

页      面：215-222页

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 081203[工学-计算机应用技术] 08[工学] 0835[工学-软件工程] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 0823[工学-交通运输工程] 

基　　金：国家自然科学基金(61871039) 北京联合大学科研项目(ZK30202001,WZ20201905) 北京联合大学教育科学研究课题(JK202011) 国家级轨道交通通信与控制虚拟仿真实验室开放课题(2019RTCC04) 北京联合大学研究生科研创新资助项目(YZ2020K001) 

主　　题：隧道裂缝分割 U-Net网络 残差模块 SE模块 组合损失函数 

摘      要：针对复杂背景下隧道的细小裂缝图像特征难以提取以及裂缝像素类别不平衡等问题,提出了一种改进U-Net网络的隧道裂缝分割算法。将U-Net模型的编码器和解码器与残差模块相结合,使得网络参数共享,并避免出现深层网络梯度消失的问题;在此结构基础上引入挤压和激励(Squeeze and Excitation,SE)模块来提升重要特征,抑制无用特征,加强对裂缝边缘和形状等特征的权重分配;采用组合损失函数来处理裂缝像素正负样本不平衡的问题,进一步获得更加精细的分割结果。在公共隧道裂缝数据集和自制数据集上设计对比实验来验证改进模型的有效性。结果表明:该算法对裂缝的分割精度均优于其他方法,F1-Score分别达到了76.36%和75.46%,并且运行速度也有明显的提升,可以很好地满足实际工程的应用需求。