數(shù)千年來(lái)，月球一直引人遐想，但關(guān)于它以及太陽(yáng)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(yáng)系考古學(xué)”。

由于缺乏大氣和地質(zhì)活動(dòng)，月球、水星和火星等天體的地形特征會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)保持相對(duì)不變。對(duì)于諸如此類天體中無(wú)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(yáng)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(cè)高數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行人工計(jì)數(shù)和測(cè)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(dòng)去數(shù)每個(gè)隕石坑。這是一項(xiàng)極其辛苦的工作?！?Ali-Dib說道。

他指出，人工計(jì)數(shù)存在一些問題。這將需要“一大批研究生和本科生”來(lái)完成這項(xiàng)繁重而艱巨的工作。這種方式是有缺陷的，因?yàn)槊總€(gè)助理研究員識(shí)別隕石坑的標(biāo)準(zhǔn)可能不同，而且當(dāng)他們疲勞的時(shí)候準(zhǔn)確率也會(huì)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(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)識(shí)別出數(shù)千個(gè)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(gè)州，而有的小到直徑只有幾米。對(duì)于火星上隕石坑數(shù)量的估計(jì)眾說紛紜，從30萬(wàn)到63.5萬(wàn)余個(gè)不等，而月球上則有數(shù)百萬(wàn)個(gè)。

科學(xué)家們最感興趣的是計(jì)算出不同大小隕石坑的分布情況，即計(jì)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(yáng)系碰撞理論相關(guān)聯(lián)的信息。

其中一個(gè)理論是：巨行星不穩(wěn)定。一些科學(xué)家推測(cè)，在太陽(yáng)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(shí)間內(nèi)曾變得混亂無(wú)序。根據(jù)此理論，軌道混亂會(huì)將小行星拋向整個(gè)太陽(yáng)系，從而導(dǎo)致激烈的碰撞。這樣的天體運(yùn)動(dòng)就會(huì)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(jì)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(lái)又為他們提供了更多的數(shù)據(jù)，從而證實(shí)太陽(yáng)系歷史的理論。

研究人員在SciNet HPC Consortium 的P8超級(jí)計(jì)算機(jī)上使用NVIDIA Tesla P100 GPU進(jìn)行訓(xùn)練和推理。

在對(duì)月球圖像進(jìn)行分析時(shí)，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(shí)內(nèi)就發(fā)現(xiàn)了6000個(gè)新的隕石坑。這幾乎是人們?cè)跀?shù)十年的研究過程中手動(dòng)識(shí)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?yàn)樗鼈兲√啵瑹o(wú)法花費(fèi)昂貴的人工時(shí)間來(lái)記錄。

左圖：測(cè)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(shí)別出以前人工編碼的隕石坑（藍(lán)色）和數(shù)以千計(jì)的新隕石坑（紅色）。右圖：人工編碼的地面實(shí)況數(shù)據(jù)，用于評(píng)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(lái)可能還將研究其他無(wú)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(lái)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(gè)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”。