Lidar fremskynder orkanens genopretning i Carolinas

Orkanen Florences langsomme trav over North og South Carolina i september førte til oversvømmende regn, rekordstor stormflod, og endnu en stor katastrofe for Federal Emergency Management Agency (FEMA) at kæmpe med. Står over for skader over hundreder af kvadratkilometer, FEMA opfordrede igen MIT Lincoln Laboratory til at bruge deres state-of-the-art lidar-system til at afbilde ødelæggelsen i regionen.

Installeret på et fly og fløjet om natten over et katastrofested, lidar (som står for lysdetektion og rækkevidde) udsender pulser af laserlys, der preller af jorden og strukturerne nedenfor og opsamles igen af ​​instrumentet. Tidspunktet for hver lyspulss tilbagevenden til instrumentet bruges til at bygge det, forskere kalder et "punktsky-kort, " en højopløsnings 3D-model af det scannede område, der afbilder højderne af strukturer og landskabstræk. Laboratorieanalytikere kan derefter behandle disse punktsky-data for at indsamle information, der hjælper FEMA med at fokusere deres genopretningsindsats – f.eks. ved at estimere antallet af sammenstyrtede huse i et område, mængden af ​​affaldsbunker, og rækkevidden af ​​oversvømmelser.

Alligevel sendes de næsten to terabyte data fra en enkelt nats scanning hurtigt, eller sortie, til Laboratoriet til forarbejdning er en udfordring. Efter en storm, lokale internetforbindelser kan være væk eller plettet. Da laboratoriet brugte den samme lidar-platform efter orkanen Maria i Puerto Rico, nedbrudte netværk betød, at man fysisk skulle sende en harddisk tilbage til Massachusetts - en mere end to dages forsinkelse i at få dataene i analytikernes hænder. Da holdet startede kampagnen i Carolinas i midten af ​​september, de stod over for den samme hindring.

Denne gang, forhindringen blev overhalet takket være MCNC. Nonprofitorganisationen tidligere kendt som Microelectronics Center of North Carolina er baseret på Research Triangle Park nær Durham, North Carolina, som ikke var direkte berørt af orkanen Florence. MCNC gav Laboratory gratis adgang til deres North Carolina Research and Education Network (NCREN).

"Vores stat blev hårdt ramt af orkanen Florence, " siger Tommy Jacobson, MCNC's administrerende direktør og vicepræsident. "For MCNC's ledelse, det var en hurtig og nem beslutning at aktivere MIT, som var i staten for at hjælpe FEMA, med adgang til vores netværksressourcer for at hjælpe, så meget vi kunne, med at sikre, at nødhjælp kom til dem, der havde brug for det."

NCREN er North Carolinas bredbåndsrygrad, forbinder mere end 750 institutioner, herunder alle offentlige skoledistrikter i staten, universiteter og gymnasier, offentlige sikkerhedssteder, og andre samfundsankerinstitutioner. Adgang til laboratoriet betød rackplads til udstyr inde i MCNC-datacentret. Derfra, MCNC leverede en 10-gigabit IP-forbindelse fra NCREN til Internet2, en ultrahurtig, avanceret netværk, der forbinder forskningscentre rundt om i verden. Denne forbindelse gav teamet mulighed for at uploade store mængder data dagligt fra deres udstyr inde i datacentret tilbage til et computercenter på MIT campus, der også er forbundet til Internet2.

Derfra, en anden 10-gigabit forbindelse sendte dataene fra campus til Lincoln Laboratory Supercomputing Center i Holyoke, hvor dataene blev behandlet.

"10-gig uplinket fra MCNC gjorde det muligt for os at transmittere dataene med en så højere hastighed, at nogle af vores uploads blev udført på omkring seks til syv timer, " siger Daniel Ribeirinha-Braga, et medlem af laboratoriets datastyringsteam i denne orkanindsats. "Husk på, at dette er lidar-data, som vi får omkring 1,5 til 1,9 terabyte pr. nat, der skal kopieres til flere steder, såsom andre harddiske, organiseret til en enkelt SSD [solid-state-drev], og derefter uploadet til laboratoriet fra MCNC."

Samarbejdet mellem Laboratory og MCNC kom i stand gennem Matt Daggett, en medarbejder i HADR Systems Group (Humanitarian Assistance and Disaster Relief). Han havde arbejdet hos MCNC for mere end ti år siden.

"Jeg var opmærksom på NCREN-rygraden og datacentret på MCNC-campus, " siger Daggett. "Da det blev klart, at vores flyoperationer ville være baseret fra RDU [Raleigh–Durham International] lufthavn, Jeg vidste, at MCNC ville være det perfekte sted at få vores data over på internettet2."

Tilføjer Jacobson:"Vi var taknemmelige for, at MIT søgte os for at yde den hjælp, "

Med databehandlingen i gang, Laboratoriet er begyndt at levere rapporter til FEMA. Lidar-billederne afslører ting, der ville være umuligt for FEMA at vide fra kun at se på satellitbilleder. "Den vigtigste forskel mellem et satellitbillede og lidar-billedet er, at du kan lave 3D-målinger på det, " siger Anthony Lapadula fra HADR Systems Group. "Så, fordi det er 3D-data, vi kan gøre ting som at fortælle dig, hvor stort et hul i en vej er, eller fortælle dig, hvor stort et højdefald er som følge af et jordskred."

En af de største fordele ved lidar-arbejdet har været den sparede tid for FEMA. Når nogen rapporterede skader på et bestemt sted, FEMA kunne hurtigt vurdere skaden ved at bede laboratorieanalytikere om virtuelt at besøge stedet på punktskykortet og rapportere, hvad de fandt.

For eksempel, FEMA bad dem om at zoome ind på en lille by ved Lumber River i North Carolina, der var blevet oversvømmet med oversvømmelser. Analyse af dataene fortalte FEMA omfanget af oversvømmelsen, mængden af ​​affaldsbunker i byen, og ændringer i flodens vej. Der var også miljøspørgsmål, der skulle besvares, såsom hvad volumen var af en kulaskebunke for at bestemme hvor meget, hvis nogen, skyllet væk med oversvømmelser. De kunne også tjekke ind på offentlig infrastruktur, som en sluse og dæmning langs Cape Fear-floden, som dataene viste var fuldstændig oversvømmet.

Det tog holdet adskillige uger at fuldføre de 40 udflugter, der blev anmodet om over Carolinas, lige indtil Thanksgiving. Turene dækkede områder ned langs kysten fra Cape Lookout National Seashore til Myrtle Beach og gennem bånd, der strækker sig ind i landet. Disse hundredvis af miles af lidar-data blev behandlet til en opløsning på cirka 25 centimeter. For at sætte denne beslutning i perspektiv, Lapadula siger, at hvis de scannede områder var dækket fuldstændigt med basketball, de ville være i stand til præcist at måle placeringen af ​​hver bold.

Men med kun ét af disse ekstremt avancerede systemer tilgængeligt til brug, Lincoln Laboratory-personale er begrænset i, hvor meget område de kan dække, og hvor mange katastrofer de kan reagere på med teknologien. Lidar-systemet blev oprindeligt udviklet af Active Optical Systems Group, der har bistået HADR Systems Group med dataindsamling, forarbejdning, og algoritmeudvikling.

Flere branchesamarbejdspartnere deltog også i denne indsats. Medarbejdere fra den lille virksomhed 3DEO, som har specialiseret sig i Geiger-mode lidar teknologi, bistået med dataindsamlingen. Den lille virksomhed LEEP har hjulpet med dataanalyse og givet træning til FEMA-analytikere for at lette brugen af ​​dataene. En anden partner, Basler turbokonverteringer, understøttede tekniske aspekter ved installation af lidar på BT-67-flyet, som er ved at blive lejet af selskabet AIRtec.

Mens laboratoriet har været involveret i katastrofeoprettelse siden 2010 Haiti jordskælvet, den har aldrig været så aktiv i disse bestræbelser som i det forløbne år siden orkanerne Harvey, Irma, og Maria i 2017.

"Vi gik et årti uden en større orkan, der ramte det kontinentale USA, " Lapadula reflekterede. "Nu, det er som om de bare bliver ved med at komme."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.