Orkanen Florences långsamma trav över North och South Carolina i september ledde till översvämmande regn, rekordstor stormflod, och en annan stor katastrof för Federal Emergency Management Agency (FEMA) att brottas med. Står inför skada över hundratals kvadratkilometer, FEMA uppmanade återigen MIT Lincoln Laboratory att använda sitt toppmoderna lidarsystem för att avbilda förstörelsen i regionen.

Installerad på ett flygplan och flögs varje natt över en katastrofplats, lidar (som står för ljusdetektion och avstånd) skickar ut pulser av laserljus som studsar från marken och strukturerna nedanför och samlas upp igen av instrumentet. Tidpunkten för varje ljuspulss återgång till instrumentet används för att bygga vad forskare kallar en "punktmolnkarta, " en högupplöst 3D-modell av det skannade området som visar höjderna på strukturer och landskapsdetaljer. Laboratorieanalytiker kan sedan bearbeta dessa punktmolndata för att samla in information som hjälper FEMA att fokusera sina återställningsinsatser – till exempel, genom att uppskatta antalet rasade hus i ett område, volymen av skräphögar, och räckvidden för översvämningsvatten.

Men snabbt skicka nästan två terabyte data från en enda natts skanning, eller sortie, till Laboratoriet för bearbetning är en utmaning. Efter en storm, lokala internetanslutningar kan vara borta eller fläckiga. När laboratoriet använde samma lidarplattform efter orkanen Maria i Puerto Rico, nedlagda nätverk innebar att fysiskt måste skicka en hårddisk tillbaka till Massachusetts – en mer än två dagars försening för att få data i analytikernas händer. När laget startade kampanjen i Carolinas i mitten av september, de stod inför samma hinder.

Den här gången, hindret var hinder tack vare MCNC. Den ideella organisationen tidigare känd som Microelectronics Center of North Carolina är baserad från Research Triangle Park nära Durham, Norra Carolina, som inte direkt påverkades av orkanen Florence. MCNC gav Laboratory gratis tillgång till deras North Carolina Research and Education Network (NCREN).

"Vår stat drabbades hårt av orkanen Florence, säger Tommy Jacobson, MCNC:s operativa chef och vice vd. "För MCNC:s ledarskap, det var ett snabbt och enkelt beslut att aktivera MIT, som var i staten för att hjälpa FEMA, med tillgång till våra nätverksresurser för att hjälpa så mycket vi kunde för att se till att hjälpen kom till de som behövde det."

NCREN är North Carolinas bredbandsstamnät, ansluter mer än 750 institutioner inklusive alla offentliga skoldistrikt i staten, universitet och högskolor, platser för allmän säkerhet, och andra samhällsförankringsinstitutioner. Tillgång för laboratoriet innebar rackutrymme för utrustning inuti MCNC-datacentret. Därifrån, MCNC tillhandahåller en 10-gigabit IP-anslutning från NCREN till Internet2, en ultrasnabb, avancerat nätverk som kopplar samman forskningscentra runt om i världen. Denna anslutning gav teamet möjlighet att ladda upp stora mängder data dagligen från sin utrustning inuti datacentret tillbaka till ett datorcenter på MIT campus som också är anslutet till Internet2.

Därifrån, en annan 10-gigabit-anslutning studsade data från campus till Lincoln Laboratory Supercomputing Center i Holyoke, där uppgifterna behandlades.

"Upplänken på 10 gig från MCNC gjorde det möjligt för oss att överföra data med en så högre hastighet att några av våra uppladdningar gjordes på ungefär sex till sju timmar, " säger Daniel Ribeirinha-Braga, en medlem av laboratoriets datahanteringsteam i denna orkaninsats. "Tänk på att detta är lidar-data, som vi får cirka 1,5 till 1,9 terabyte per natt av, som måste kopieras till flera ställen, som andra hårddiskar, organiserad till en enda SSD [solid-state-enhet], och laddade sedan upp till laboratoriet från MCNC."

Samarbetet mellan Laboratory och MCNC kom till genom Matt Daggett, en anställd i systemgruppen för humanitärt bistånd och katastrofhjälp (HADR). Han hade arbetat på MCNC för mer än ett decennium sedan.

"Jag var medveten om NCREN-ryggraden och datacentret på MCNC-campus, " säger Daggett. "När det stod klart att vår flygverksamhet skulle baseras på RDU-flygplatsen [Raleigh–Durham International], Jag visste att MCNC skulle vara den perfekta platsen för att få vår data till Internet2."

Tillägger Jacobson:"Vi var tacksamma för att MIT sökte oss för att ge den hjälpen, "

Med databehandlingen igång, Laboratoriet har börjat leverera rapporter till FEMA. Lidarbilderna avslöjar saker som skulle vara omöjliga för FEMA att veta från att bara titta på satellitbilder. "Den viktigaste skillnaden mellan en satellitbild och lidarbilden är att du kan göra 3D-mätningar på den, " säger Anthony Lapadula från HADR Systems Group. "Så, eftersom det är 3D-data, vi kan göra saker som att berätta hur stort ett hål i en väg är, eller berätta hur stort ett höjdfall är till följd av ett jordskred."

En av de största fördelarna med lidar-arbetet har varit tidsbesparingen för FEMA. När någon rapporterade skada på en specifik plats, FEMA kunde snabbt bedöma skadan genom att be laboratorieanalytiker att virtuellt besöka platsen i punktmolnskartan och rapportera vad de hittade.

Till exempel, FEMA bad dem att zooma in på en liten stad vid Lumber River i North Carolina som hade översvämmats av översvämningsvatten. Analys av data berättade för FEMA omfattningen av översvämningen, mängden skräphögar i staden, och förändringar i flodens väg. Det fanns också miljöfrågor att besvara, till exempel vad volymen var av en kolashög för att bestämma hur mycket, om någon, sköljs bort med översvämningsvatten. De kan också checka in på offentlig infrastruktur, som ett sluss och en damm längs Cape Fear River som data visade vara helt översvämmade.

Att slutföra de 40 sorteringar som begärdes över Carolinas tog teamet flera veckor att slutföra, ända fram till Thanksgiving. Sortierna täckte områden längs kusten från Cape Lookout National Seashore till Myrtle Beach och genom band som sträckte sig inåt landet. Dessa hundratals miles av lidardata bearbetades till en upplösning på cirka 25 centimeter. För att sätta den resolutionen i perspektiv, Lapadula säger att om de skannade områdena täcktes helt med basketbollar, de skulle kunna mäta exakt platsen för varje boll.

Men med endast ett av dessa extremt avancerade system tillgängligt för användning, Lincoln Laboratory personal är begränsad i hur mycket område de kan täcka och hur många katastrofer de kan reagera på med tekniken. Lidar-systemet utvecklades ursprungligen av Active Optical Systems Group, som har hjälpt HADR Systems Group med datainsamling, bearbetning, och algoritmutveckling.

Flera branschsamarbetspartners deltog också i detta arbete. Anställda från småföretaget 3DEO, som specialiserar sig på Geiger-mode lidar-teknik, hjälpte till med datainsamlingen. Det lilla företaget LEEP har hjälpt till med dataanalys och gett utbildning till FEMA-analytiker för att underlätta användningen av data. En annan partner, Basler turbokonverteringar, stödde tekniska aspekter av att installera lidar på BT-67-flygplanet, som hyrs av företaget AIRtec.

Medan laboratoriet har varit inblandat i katastrofåterställning sedan jordbävningen i Haiti 2010, den har aldrig varit så aktiv i dessa ansträngningar som under det senaste året sedan orkanerna Harvey, Irma, och Maria 2017.

"Vi gick ett decennium utan att en stor orkan träffade det kontinentala USA, " Lapadula reflekterade. "Nu, det är som att de bara fortsätter att komma."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.