數(shù)千年來,月球一直引人遐想,但關(guān)于它以及太陽系的歷史,仍有數(shù)不清的問題懸而未決。有些答案就存在于月球表面坑坑洼洼的隕石坑中。通過深度學(xué)習(xí),科學(xué)家能夠比以往更清楚地看到這些隕石坑。
多倫多大學(xué)行星科學(xué)中心的博士后研究員、天體物理學(xué)家Mohamad Ali-Dib表示,可以將隕石坑研究看作“太陽系考古學(xué)”。
由于缺乏大氣和地質(zhì)活動,月球、水星和火星等天體的地形特征會在一段時間內(nèi)保持相對不變。對于諸如此類天體中無空氣環(huán)境的探索,研究隕石坑是一種特別有用的方法。
仔細(xì)觀察這些隕石坑,就能發(fā)現(xiàn)有關(guān)隕石坑歷史和太陽系演化的重要線索。但到目前為止,隕石坑是通過衛(wèi)星圖像或衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行人工計數(shù)和測量的。
“研究生全天的工作是捕獲水星、月球或火星的圖像,然后手動去數(shù)每個隕石坑。這是一項極其辛苦的工作?!?Ali-Dib說道。
他指出,人工計數(shù)存在一些問題。這將需要“一大批研究生和本科生”來完成這項繁重而艱巨的工作。這種方式是有缺陷的,因為每個助理研究員識別隕石坑的標(biāo)準(zhǔn)可能不同,而且當(dāng)他們疲勞的時候準(zhǔn)確率也會下降。
因此,Ali-Dib和多倫多大學(xué)的同事Ari Silburt以及其他組員,共同研發(fā)出了一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),可以在幾個小時內(nèi)識別出數(shù)千個以前未被發(fā)現(xiàn)的月球隕石坑。
聚焦月球
隕石坑的形狀大小不一,有的大到足以容下一個州,而有的小到直徑只有幾米。對于火星上隕石坑數(shù)量的估計眾說紛紜,從30萬到63.5萬余個不等,而月球上則有數(shù)百萬個。
科學(xué)家們最感興趣的是計算出不同大小隕石坑的分布情況,即計算出表面上有多少指定半徑的隕石坑。根據(jù)分布情況,他們可以了解造成隕石坑的撞擊物的大小和數(shù)量,這也正是天體物理學(xué)家可以將其與太陽系碰撞理論相關(guān)聯(lián)的信息。
其中一個理論是:巨行星不穩(wěn)定。一些科學(xué)家推測,在太陽系的早期,像木星和土星這樣的氣態(tài)巨行星的軌道在一段時間內(nèi)曾變得混亂無序。根據(jù)此理論,軌道混亂會將小行星拋向整個太陽系,從而導(dǎo)致激烈的碰撞。這樣的天體運(yùn)動就會在像月球這樣的環(huán)境中留下痕跡,即大小不一的隕石坑分布。
通過計算機(jī)記錄月球隕石坑,科學(xué)家們可以更好地了解月球隕石坑的大小及其分布情況。這反過來又為他們提供了更多的數(shù)據(jù),從而證實太陽系歷史的理論。
研究人員在SciNet HPC Consortium 的P8超級計算機(jī)上使用NVIDIA Tesla P100 GPU進(jìn)行訓(xùn)練和推理。
在對月球圖像進(jìn)行分析時,研究人員的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在發(fā)現(xiàn)已確定的隕石坑方面的準(zhǔn)確率達(dá)到了92%。除此之外,深度學(xué)習(xí)模型在短短幾小時內(nèi)就發(fā)現(xiàn)了6000個新的隕石坑。這幾乎是人們在數(shù)十年的研究過程中手動識別數(shù)量的兩倍。
Ali-Dib指出,其中大部分是研究小組希望通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)捕獲的較小隕石坑。這些微小的隕石坑是現(xiàn)有數(shù)據(jù)集中缺少的部分,因為它們太小太多,無法花費(fèi)昂貴的人工時間來記錄。
左圖:測試數(shù)據(jù)中的月球樣圖。中圖:研究人員的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成功識別出以前人工編碼的隕石坑(藍(lán)色)和數(shù)以千計的新隕石坑(紅色)。右圖:人工編碼的地面實況數(shù)據(jù),用于評估神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。藍(lán)色圓圈表示與研究人員的方法匹配成功的隕石坑,而紫色圓圈則表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺漏的隕石坑。
近觀月球以及其他星體
除了可以更詳細(xì)地了解月球外,還可以通過類似的衛(wèi)星數(shù)據(jù)了解水星和火星。未來可能還將研究其他無空氣天體(如小行星、彗星和一些巨行星)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。
研究人員已經(jīng)利用一種叫做遷移學(xué)習(xí)(transfer learning)的技術(shù)觀察水星的隕石坑:他們利用其采用月球數(shù)據(jù)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來分析水星的圖像。
此外,研究小組還在研究隕石坑深度等其他特征??茖W(xué)家感興趣的另一個參數(shù)是隕石坑的年齡。但Ali-Dib表示,要弄清楚這一點(diǎn),僅靠衛(wèi)星數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,還“需要真正的隕石”。
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原文標(biāo)題:隕石坑數(shù)量知多少?深度學(xué)習(xí)助力科學(xué)家進(jìn)一步了解太陽系的歷史
文章出處:【微信號:NVIDIA-Enterprise,微信公眾號:NVIDIA英偉達(dá)企業(yè)解決方案】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
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