近日，课题组成员简志杰在 Intelligent Geoengineering 发表题为 “Comparative evaluation of threshold-based and CNN-based segmentation methods for multi-modal digital images of geotechnical materials” 的研究论文。该研究聚焦岩土材料数字图像分析中的关键环节——孔隙、裂隙与基质的自动分割，系统比较了15种传统全局单阈值分割算法和3种代表性卷积神经网络模型（FCN、U-Net和DeepLabV3），为多模态岩土图像分割中的算法选择和智能化处理提供了参考。
本研究选取煤、花岗岩、砂土和砂岩CT图像，以及煤与膨润土不同分辨率的SEM图像作为研究对象。针对岩土图像人工标注工作量大、不同分割算法适用范围不清晰等问题，论文构建了一套无需大规模逐像素人工标注的多维评价框架，从宏观孔隙率一致性、局部结构稳定性和信息论差异等方面，对不同分割方法进行系统评价。
结果表明，传统阈值算法的分割效果受材料类型、成像方式及灰度分布特征影响明显。其中，Otsu算法在煤和砂岩CT图像中表现较好，Yen算法在不同分辨率SEM图像中稳定性较高。Liu-S算法在多类岩土图像中均表现出良好的适用性，尤其适用于砂土CT图像，体现出较强的普适性。相较于深度学习方法，传统算法无需大规模人工标注和复杂模型训练，具有计算速度快、可解释性强和工程应用便捷等优势，可用于岩土图像快速分割、数据预处理和结果校核。
（a）训练集
（b）验证集
图2 不同模型在CT数据集上的训练曲线（原论文 Fig. 22）
对于灰度分布复杂、矿物组成多样的花岗岩CT图像，单一全局阈值方法难以获得稳定可靠的分割结果。针对这一问题，论文进一步以深度学习分割为重点，通过模型训练、性能对比与多模态图像验证，提升复杂岩土结构的自动识别能力。结果表明，FCN、U-Net和DeepLabV3能够有效提取复杂灰度分布和非均质结构中的多尺度特征，在复杂孔隙、裂隙及矿物边界识别方面表现出更高的准确性、稳定性和鲁棒性，可有效弥补传统阈值方法的不足。
图3 U-Net与传统阈值方法在多类岩土图像上的分割结果对比
总体而言，以Liu-S算法为代表的传统方法具有高效率、低成本、可解释性强和普适性较好等特点，深度学习方法则在复杂结构识别和多尺度特征提取方面更具优势。论文形成了由传统算法评价、卷积神经网络对比到多模态图像智能分析的完整研究思路，为多源、多尺度岩土图像的自动化处理与智能表征提供了方法支撑。
值得一提的是，本论文相关研究入选《Intelligent Geoengineering》2026年第3卷第1期封面。以多模态岩土图像、传统阈值分割、深度学习分割和智能分析为主线，集中展示了本研究从算法评价到模型优化的整体思路，体现了数字岩土研究向自动化、智能化和多模态融合方向的发展。
图4 Intelligent Geoengineering 2026年第3卷第1期期刊封面
相关论文：
Jian ZJ, Liu JF*, Ma SJ, Wang ZP, Jian Q, Sun RN, Wu CH. Comparative evaluation of threshold-based and CNN-based segmentation methods for multi-modal digital images of geotechnical materials, Intelligent Geoengineering, 2026, 3(1): 11–35
Song SB, Liu JF*, Ni HY, Cao XL, Pu H, Huang BX. A new automatic thresholding algorithm for unimodal gray-level distribution images by using the gray gradient information, Journal of Petroleum Science and Engineering, 2020, 190: 107074.
作者简介：
第一作者：简志杰，2023—2026年在中国矿业大学攻读硕士学位，师从刘江峰教授。在校期间主要开展数字岩石图像处理、多孔介质多尺度流动模拟及4D CT渗流力学等方面的研究。硕士学位论文题目为《基于物性约束的数字岩心生成与上尺度建模方法》，主要研究多源图像分割、三维数字岩心生成与尺度扩展建模。将于2026年9月赴荷兰乌得勒支大学地球科学学院地球科学系攻读博士学位，研究方向聚焦数字岩石图像与多孔介质渗流等领域。
通讯作者：刘江峰，中国矿业大学教授、博士生导师，深部能源物质封储研究中心主任。先后入选/获批教育部U40、国家“万人计划”青年拔尖人才，获江苏省杰出青年基金。长期致力于低渗岩体渗流力学及其在深部能源物质封储中的应用研究，获第三届“钱七虎奖”、第三十三届孙越崎青年科技奖、湖北省科技进步一等奖（R1）、中国岩石力学与工程学会科技进步一等奖（R1）等科技奖励10项。现任国际岩石力学与工程学会（ISRM）中国国家小组副主席、中国岩石力学与工程学会采矿岩石力学分会副理事长等职务，兼任煤炭学报、岩石力学与工程学报、DUSE等期刊学术编辑和（青年）编委
