ناسا وIBM تطلقان نموذجًا أساسيًا قمريًا مفتوح المصدر دُرِّب على 17 عامًا من بيانات المركبات المدارية

أنتجت سبعة عشر عامًا من مراقبة القمر بيانات أكثر مما أنتجته كل بعثات ناسا الكوكبية الأخرى مجتمعة. وكان جعلها قابلة للاستخدام في تعلّم الآلة هو المشكلة الأصعب.

في 5 أكتوبر، أطلقت ناسا وIBM Research، بالتعاون مع عدة مؤسسات أكاديمية، نموذج ناسا-IBM القمري الأساسي. النموذج مفتوح المصدر، ونُشر على Hugging Face مع الشفرة على GitHub، ومُدمج في مجموعة أدوات TerraTorch مفتوحة المصدر. وصدرت معه مجموعات بيانات التدريب المسبق ومجموعات المعايير.

يقلّل النموذج خطأ التنبؤ برواسب الجليد القطبي بنسبة تصل إلى 22 بالمئة مقارنةً بأفضل خط أساس، SwinV2-B، ويحسّن اكتشاف الفوهات على النطاق الخشن بنحو 19 بالمئة مع استخدام نصف البيانات الموسومة فقط.

لماذا نموذج أساسي بدلًا من نموذج مخصص لمهمة

تواجه علوم القمر مشكلة بيانات غريبة. فالملاحظات وفيرة، لكن الوسوم شحيحة. وبناء نموذج لاكتشاف الفوهات على مقياس واحد، وآخر لاستقرار الجليد، وثالث لتقسيم السطح يعني البناء من الصفر في كل مرة، على مجموعات موسومة صغيرة، دون تمثيل مشترك تحتها.

النموذج الأساسي يقلب ذلك. فهو يتدرب مسبقًا على كميات ضخمة من البيانات غير الموسومة، ثم يتكيّف مع مهمة محددة بعدد قليل فقط من الأمثلة الموسومة. وقد صاغ كيفن مورفي، كبير مسؤولي البيانات العلمية في ناسا، الإطلاق بهذه المصطلحات تحديدًا: لقد أمضت ناسا عقودًا في بناء سجل علمي للقمر، وجمع البيانات ليس سوى جزء من المهمة. أما الباقي فهو تسهيل استخدام العلماء لها.

مجموعة التدريب هي SomBench، الموصوفة بأنها أكبر مجموعة بيانات قمرية متعددة الوسائط ومتزامنة التسجيل جُمعت حتى الآن: قرابة مليوني حزمة بلاطات عبر أحد عشر نمطًا ومقياسين مكانيين. نحو مليون صورة عالية الدقة تأتي من الكاميرا ضيقة الزاوية بدقة تقارب مترًا واحدًا لكل بكسل. وما يقرب من 964,000 صورة متعددة الأطياف تأتي من الكاميرا واسعة الزاوية بدقة 100 متر لكل بكسل. ويعود الجزء الأكبر منها إلى مدار الاستطلاع القمري، مدعومًا ببيانات من GRAIL وLunar Prospector ومسبار كاغويا التابع لـ JAXA. أكثر من 30 طبقة بيانات متوائمة مكانيًا من تسع أدوات عبر أربع بعثات.

الخيار التصميمي الذي أدّى معظم العمل

تستلهم البنية من TerraMind، وهو نموذج متعدد الوسائط لرصد الأرض، لكن الفريق درّب النسخة القمرية من الصفر بدلًا من الضبط الدقيق لنموذج موجود. لا يمتلك القمر غلافًا جويًا ولا طقسًا، لذا تصبح الافتراضات الموروثة من نموذج أرضي أسوأ من كونها عديمة الفائدة: إنها مضللة فعليًا. على القمر، شكل الشيء يتحدد إلى حد كبير بطريقة إضاءته.

قادت هذه الملاحظة القرار الرئيسي الثاني. يتلقى النموذج هندسة التصوير كسياق صريح لكل بلاطة: زوايا الإضاءة، وموضع الشمس، ومدى البلاطة. فبدلًا من استنتاج الإضاءة من البكسلات الخام، يُبلَّغ بها. ومن النتائج الأكثر دلالة أن نموذج تحكم مماثل معماريًا بتهيئة عشوائية ظل ينافس في التنبؤ بالجليد، وهو ما اعتبره الباحثون دليلًا على أن طريقة معالجة البيانات نفسها حملت قدرًا كبيرًا من التحسن.

يتعامل FlexiViT مع تغيّر حجم الرقعة، ما يتيح للنموذج المدرّب التكيّف مع مهام على مقاييس صور مختلفة دون إعادة تدريب.

المعايير والحدود التي ذكرها المؤلفون

اختبر الفريق النموذج في اكتشاف الفوهات على مقياسي 100 متر و1 متر، والتنبؤ برواسب الجليد القطبي، وتقسيم بقع ماريا غير المنتظمة. وقد ساوى النموذج المُدرَّب مسبقًا خطوط الأساس الشائعة أو تجاوزها، وكذلك نموذج التحكم ذا التهيئة العشوائية. وسجّل التنبؤ بالجليد أكبر المكاسب.

يوضح التقرير الفني صراحةً ما لا يستطيع النموذج فعله. فهو غير مناسب لتحديد المواقع الجيوديسية المطلقة. في اختبارات التوليد، كانت خطوط الطول والعرض خاطئة بعشرات الدرجات في بعض الحالات، وظهرت بنى الارتفاعات بقيم ارتفاع مطلقة مُزاحة حتى عندما كانت إعادة بناء الشكل صحيحة. ووصف خوان برنابي-مورينو من IBM Research Europe النموذج بأنه أساس قابل لإعادة الاستخدام لبحوث قمرية لاحقة، وليس بديلًا عن القياسات الفيزيائية.

يمتد هذا التمييز عبر الإصدار بأكمله. يسرّع النموذج التحليل: فهو يقدّر أين يمكن أن يبقى جليد الماء مستقرًا في مناطق مظللة بشكل دائم، ويرسم خرائط الفوهات لتقدير أعمار السطح، ويرصد بقع ماريا غير المنتظمة للدراسة البركانية. لكنه لا يؤكد وجود موارد قابلة للاستغلال ولا يضمن أن موقعًا ما آمن للهبوط.

ما لا يستطيع فعله

يستحق قسم القيود في التقرير نفسه قراءة متأنية، لأنه يحدد الحدود بين أداة بحثية وجهاز قياس. فالنموذج غير مناسب لتحديد المواقع الجيوديسية المطلقة: في اختبارات التوليد، كانت خطوط الطول والعرض خاطئة بعشرات الدرجات في بعض الحالات، وظهرت بنى الارتفاعات بقيم ارتفاع مطلقة مُزاحة حتى عندما كانت الأشكال المُعاد بناؤها صحيحة.

وعند ترجمة ذلك إلى الممارسة، يعني أن النموذج مفيد في العثور على المعالم ووصف خصائصها، وغير موثوق في تحديد مواقعها بدقة عالية. يمكن لمخطط مهمة أن يستخدمه لتضييق المناطق المرشحة للجليد القطبي، ثم يؤكد ذلك بقياسات موجّهة. أما الفريق الذي يتعامل مع مخرجاته كإحداثيات بمستوى المسح فسيسيء استخدامه.

ويصوغ المؤلفون الإصدار بالطريقة نفسها، كأساس قابل لإعادة الاستخدام للبحوث اللاحقة وليس بديلًا عن القياس الفيزيائي. هذه الصراحة بشأن النطاق هي ما يجعل الإصدار قابلًا للاستخدام، لأنها تخبر الفرق اللاحقة بالمهام التي يمكنها الوثوق بالنموذج فيها وتلك التي ينبغي الاستمرار في إنجازها بالطريقة الصعبة.

لماذا تهم مواءمة نموذج الأرض

صُمم TerraMind لرصد الأرض، حيث تتشكل الصور بفعل الغلاف الجوي ودورات الغطاء النباتي والنشاط البشري. ومواءمة بنيته مع التدريب من الصفر مسار وسط متعمد. فقد أبقى الفريق ما يمكن تعميمه، أي الآلية الخاصة بالتعامل مع بيانات متعددة الوسائط ومتوائمة مكانيًا، واستبعد ما لا يمكن تعميمه، أي افتراض بشأن الشكل الذي ينبغي أن يبدو عليه السطح.

يوضح قرار الإضاءة كمدخل لماذا يهم هذا التمييز. على الأرض، تحمل صورة القمر الاصطناعي تكرارًا بصريًا كافيًا بحيث يستطيع النموذج غالبًا استنتاج الإضاءة من النسيج والظل. أما على القمر، فالسطح متجانس إلى حد كبير والظل هو الإشارة. وقد أتاح إعطاء النموذج زاوية الشمس وهندسة الإضاءة مباشرةً، بدلًا من مطالبتِه بإعادة بنائهما، أن يوجّه طاقته إلى المهام العلمية بدلًا من إعادة اشتقاق فيزياء أُعطيها بالفعل.

هذا نمط قابل للنقل. فأي مجال يكون فيه القياس الفيزيائي سهل الحساب لكنه مكلف للنموذج استنتاجه هو مرشح للتهيئة الصريحة: العمق من الاستريو، التصحيح الجوي، معايرة المستشعر. وقد قدّم القمر هذه الحجة بوضوح لاحتوائه على متغيرات مربكة قليلة جدًا.

ماذا يعني الإصدار المفتوح هنا

إتاحة نموذج ومجموعات بياناته مفتوحة المصدر تغيّر من يمكنه المشاركة. ففرق البحث خارج ناسا وIBM يمكنها إعادة إنتاج النتائج المنشورة، وضبط النموذج بدقة على مشكلاتها الخاصة، وبناء تطبيقات لبعثات مستقبلية دون التفاوض على الوصول إلى البيانات. وعندما يكون إنتاج البيانات القمرية الموسومة مكلفًا، فإن نموذجًا مُدرَّبًا مسبقًا لا يحتاج سوى أمثلة قليلة هو الفرق بين دراسة تحدث وأخرى لا تحدث.

يُعد الإصدار أيضًا قالبًا. فقد فُهرِس القمر بواسطة نموذج بُني لنوع محدد من الصور، وزُوِّد بالفيزياء التي تحدد شكل تلك الصور، ودُرِّب على بيانات ظلت في الأرشيف سبعة عشر عامًا تنتظر المعالجة. وينطبق النمط نفسه على أي مجال فيه ملاحظات غير موسومة وفيرة ووسوم شحيحة، وهو حال معظم الاستشعار عن بعد العلمي.