De langzame draf van orkaan Florence over Noord- en Zuid-Carolina in september leidde tot hevige regen, record stormvloeden, en nog een grote ramp voor het Federal Emergency Management Agency (FEMA) om mee te kampen. Geconfronteerd met schade over honderden vierkante mijlen, FEMA deed opnieuw een beroep op het MIT Lincoln Laboratory om hun ultramoderne lidar-systeem te gebruiken om de vernietiging in de regio in beeld te brengen.

Geïnstalleerd op een vliegtuig en 's nachts over een rampplek gevlogen, lidar (wat staat voor lichtdetectie en -bereik) zendt pulsen van laserlicht uit die weerkaatsen op het land en de structuren eronder en weer worden opgevangen door het instrument. De timing van de terugkeer van elke lichtpuls naar het instrument wordt gebruikt om te bouwen wat onderzoekers een "puntenwolkkaart, " een 3D-model met hoge resolutie van het gescande gebied dat de hoogten van structuren en landschapskenmerken weergeeft. Laboratoriumanalisten kunnen deze puntenwolkgegevens vervolgens verwerken om informatie te verzamelen die FEMA helpt bij hun herstelinspanningen, bijvoorbeeld, door het aantal ingestorte huizen in een gebied te schatten, het volume van puinhopen, en het bereik van overstromingswateren.

Maar toch snel de bijna twee terabytes aan gegevens van een scan van één nacht verzenden, of sortie, naar het Laboratorium voor verwerking is een uitdaging. Na een onweersbui, lokale internetverbindingen zijn mogelijk verdwenen of vlekkerig. Toen het laboratorium hetzelfde lidar-platform gebruikte na orkaan Maria in Puerto Rico, neergehaalde netwerken betekende dat een harde schijf fysiek naar Massachusetts moest worden teruggestuurd - een vertraging van meer dan twee dagen om de gegevens in handen van analisten te krijgen. Toen het team half september de campagne in de Carolina's startte, ze stonden voor hetzelfde obstakel.

Deze keer, het obstakel werd overwonnen dankzij MCNC. De non-profitorganisatie die voorheen bekend stond als het Microelectronics Center of North Carolina, is gevestigd in Research Triangle Park in de buurt van Durham, Noord Carolina, die niet direct werd getroffen door de orkaan Florence. MCNC gaf het laboratorium gratis toegang tot hun North Carolina Research and Education Network (NCREN).

"Onze staat is hard getroffen door orkaan Florence, " zegt Tommy Jacobson, MCNC's chief operating officer en vice-president. "Voor het leiderschap van MCNC, het was een snelle en gemakkelijke beslissing om MIT in te schakelen, die in de staat was om FEMA te helpen, met toegang tot onze netwerkbronnen om te helpen hoe we maar konden om ervoor te zorgen dat hulp terechtkwam bij degenen die het nodig hadden."

NCREN is de breedbandruggengraat van North Carolina, het verbinden van meer dan 750 instellingen, inclusief alle openbare schooldistricten in de staat, universiteiten en hogescholen, openbare veiligheidslocaties, en andere gemeenschapsankerinstellingen. Toegang voor het laboratorium betekende rackruimte voor apparatuur in het MCNC-datacenter. Vanaf daar, MCNC zorgde voor een 10-gigabit IP-verbinding van de NCREN naar Internet2, een ultrasnelle, geavanceerd netwerk dat onderzoekscentra over de hele wereld met elkaar verbindt. Deze verbinding gaf het team de mogelijkheid om dagelijks grote hoeveelheden gegevens van hun apparatuur in het datacenter terug te uploaden naar een rekencentrum op de MIT-campus dat ook is verbonden met internet2.

Vanaf daar, een andere 10 gigabit-verbinding stuurde de gegevens van de campus naar het Lincoln Laboratory Supercomputing Center in Holyoke, waar de gegevens zijn verwerkt.

"Dankzij de 10-gig uplink van MCNC konden we de gegevens met zo'n hogere snelheid verzenden dat sommige van onze uploads in ongeveer zes tot zeven uur werden gedaan, " zegt Daniel Ribeirinha-Braga, een lid van het gegevensbeheerteam van het Laboratorium in deze orkaaninspanning. "Houd er rekening mee dat dit lidar-gegevens zijn, waar we ongeveer 1,5 tot 1,9 terabyte per nacht van krijgen, die naar meerdere plaatsen moet worden gekopieerd, zoals andere harde schijven, georganiseerd naar een enkele SSD [solid-state drive], en vervolgens geüpload naar het laboratorium van MCNC."

De samenwerking tussen het laboratorium en MCNC kwam tot stand door Matt Daggett, een medewerker van de Humanitarian Assistance and Disaster Relief (HADR) Systems Group. Hij had meer dan tien jaar geleden bij MCNC gewerkt.

"Ik was op de hoogte van de NCREN-backbone en het datacenter op de MCNC-campus, Daggett zegt. "Toen het duidelijk werd dat onze vluchtoperaties zouden plaatsvinden vanaf de RDU [Raleigh-Durham International] luchthaven, Ik wist dat MCNC de perfecte plek zou zijn om onze gegevens op internet te krijgen2."

Jacobson voegt eraan toe:"We waren dankbaar dat MIT ons opzocht om die hulp te bieden, "

Nu de gegevensverwerking aan de gang is, het Laboratorium is begonnen met het leveren van rapporten aan FEMA. De lidar-beelden onthullen dingen die FEMA onmogelijk zou kunnen weten door alleen naar satellietbeelden te kijken. "Het belangrijkste verschil tussen een satellietbeeld en het lidarbeeld is dat je er 3D-metingen op kunt doen, " zegt Anthony Lapadula van de HADR Systems Group. "Dus, omdat het 3D-gegevens zijn, we kunnen dingen doen zoals je vertellen hoe groot een gat in een weg is, of u vertellen hoe groot een hoogteverschil is als gevolg van een aardverschuiving."

Een van de grootste voordelen van het lidarwerk is de tijdwinst voor FEMA. Wanneer iemand op een bepaalde locatie schade heeft gemeld, FEMA kon de schade snel beoordelen door laboratoriumanalisten te vragen de locatie virtueel te bezoeken in de puntenwolkkaart en te rapporteren wat ze hebben gevonden.

Bijvoorbeeld, FEMA vroeg hen om in te zoomen op een klein stadje aan de Lumber River in North Carolina dat was overstroomd met overstromingswater. Analyse van de gegevens vertelde FEMA de omvang van de overstroming, de hoeveelheid puinhopen in de stad, en veranderingen in het pad van de rivier. Er moesten ook milieuvragen worden beantwoord, zoals wat het volume was van een kolenashoop om te bepalen hoeveel, indien van toepassing, weggespoeld met vloedwater. Ze kunnen ook inchecken bij de openbare infrastructuur, zoals een sluis en dam langs de Cape Fear River waarvan de gegevens volledig overstroomden.

Het voltooien van de 40 vluchten die waren aangevraagd over de Carolina's kostte het team enkele weken om te voltooien, tot Thanksgiving. De sorties bestreken gebieden langs de kustlijn van de Cape Lookout National Seashore tot Myrtle Beach en door bands die zich landinwaarts uitstrekken. Deze honderden kilometers aan lidargegevens werden verwerkt tot een resolutie van ongeveer 25 centimeter. Om die resolutie in perspectief te plaatsen, Lapadula zegt dat als de gescande gebieden volledig bedekt waren met basketballen, ze zouden de locatie van elke bal nauwkeurig kunnen meten.

Maar met slechts één van deze uiterst geavanceerde systemen beschikbaar voor gebruik, Het personeel van Lincoln Laboratory is beperkt in hoeveel gebied ze kunnen bestrijken en op hoeveel rampen ze kunnen reageren met de technologie. Het lidar-systeem is oorspronkelijk ontwikkeld door de Active Optical Systems Group, die de HADR Systems Group heeft bijgestaan ​​bij het verzamelen van gegevens, verwerken, en algoritmeontwikkeling.

Verschillende branchegenoten namen ook deel aan deze inspanning. Medewerkers van het kleine bedrijf 3DEO, die gespecialiseerd is in Geiger-mode lidar-technologie, geholpen met het verzamelen van gegevens. Het kleine bedrijf LEEP heeft geholpen met data-analyse en training gegeven aan FEMA-analisten om het gebruik van de data te vergemakkelijken. Een andere partner, Basler Turbo-conversies, ondersteunde technische aspecten van het installeren van de lidar op het BT-67-vliegtuig, die wordt gehuurd van de firma AIRtec.

Hoewel het laboratorium sinds de aardbeving in Haïti in 2010 betrokken is geweest bij rampenherstel, het is nog nooit zo actief geweest in deze inspanningen als in het afgelopen jaar sinds de orkanen Harvey, Irma, en Maria in 2017.

"We hebben tien jaar geen grote orkaan gehad die de continentale Verenigde Staten trof, Lapadula dacht na. Nu, het is alsof ze gewoon blijven komen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.