Лидар ускоряет восстановление после урагана в Каролинах

Медленное движение урагана «Флоренс» над Северной и Южной Каролиной в сентябре привело к катастрофическим осадкам, рекордному штормовому нагону и очередному крупному бедствию, с которым пришлось столкнуться Федеральному агентству по управлению в чрезвычайных ситуациях (FEMA). Столкнувшись с разрушениями на сотнях квадратных миль, FEMA вновь обратилось к MIT Lincoln Laboratory с просьбой использовать их передовую лидарную систему для съемки пострадавшего региона.

Лидар, установленный на самолет и выполняющий ночные облеты зоны бедствия, посылает импульсы лазерного света. Они отражаются от земли и объектов, а затем улавливаются прибором. Время возврата каждого импульса используется для построения так называемой «карты облака точек» — высокодетальной 3D-модели сканируемой области, отображающей высоты сооружений и рельефа. Аналитики лаборатории могут обрабатывать эти данные, чтобы извлечь информацию, помогающую FEMA сосредоточить усилия по восстановлению: например, оценить количество разрушенных домов, объем завалов и масштабы затопления.

Однако быстрая передача почти двух терабайт данных с одного ночного сканирования (вылета) в лабораторию для обработки была проблемой. После шторма местные интернет-соединения могли отсутствовать или работать с перебоями. Когда лаборатория использовала эту же лидарную платформу после урагана «Мария» в Пуэрто-Рико, поврежденные сети вынудили физически перевозить жесткий диск в Массачусетс, что задержало получение данных аналитиками более чем на два дня. Столкнувшись с той же проблемой в Каролинах в середине сентября, команда нашла решение на этот раз.

Помощь пришла от некоммерческой организации MCNC (бывший Microelectronics Center of North Carolina), базирующейся в Исследовательском треугольном парке недалеко от Дарема (Северная Каролина), который не пострадал от урагана. MCNC предоставила лаборатории бесплатный доступ к своей Северокаролинской исследовательской и образовательной сети (NCREN).

«Наш штат сильно пострадал от урагана "Флоренс"», — говорит Томми Джейкобсон, операционный директор и вице-президент MCNC. «Для руководства MCNC было быстрым и легким решением предоставить MIT, который находился в штате для помощи FEMA, доступ к нашим сетевым ресурсам, чтобы помочь любым способом в обеспечении доставки помощи нуждающимся».

Доступ к NCREN, широкополосной магистрали штата, и выделенное 10-гигабитное соединение с глобальной исследовательской сетью Internet2 позволили команде загружать большие объемы данных ежедневно из центра обработки данных MCNC прямо в вычислительный центр кампуса MIT. Оттуда данные передавались в Суперкомпьютерный центр Lincoln Laboratory в Холиоке для обработки.

«10-гигабитное соединение от MCNC позволило нам передавать данные с такой высокой скоростью, что некоторые загрузки занимали около шести-семи часов», — отмечает Даниэль Рибейринья-Брага, член команды по управлению данными. «Учтите, что это лидарные данные объемом около 1,5–1,9 ТБ за ночь».

Благодаря быстрой обработке данных лаборатория уже начала предоставлять отчеты FEMA. Лидарные изображения раскрывают детали, недоступные при анализе только спутниковых снимков. «Самое важное отличие спутникового изображения от лидарного в том, что с последним можно проводить 3D-измерения», — поясняет Энтони Лападула из Группы систем гуманитарной помощи и помощи при стихийных бедствиях (HADR). «Поскольку это 3D-данные, мы можем, например, определить размер пробоины в дороге или величину перепада высоты в результате оползня».

Одним из ключевых преимуществ стало значительное сокращение времени для FEMA. При поступлении сообщения о повреждениях в конкретном месте, FEMA могла быстро оценить ущерб, попросив аналитиков лаборатории «виртуально» посетить локацию на карте облака точек.

Например, по запросу FEMA команда детально изучила небольшой городок на реке Ламбер в Северной Каролине, пострадавший от наводнения. Анализ данных показал масштабы затопления, объем завалов в городе и изменения русла реки. Также решались экологические вопросы, такие как определение объема золоотвала, чтобы понять, сколько золы могло быть смыто паводковыми водами. Проверялась и инфраструктура, например, шлюз и плотина на реке Кейп-Фир, которые, как показали данные, были полностью затоплены.

Выполнение 40 запрошенных вылетов над Каролинами заняло у команды несколько недель и завершилось лишь к Дню благодарения. Облеты покрыли прибрежные районы от национального побережья Кейп-Лукаут до Майртл-Бич и протянулись полосами вглубь материка. Сотни миль лидарных данных были обработаны с разрешением примерно 25 сантиметров. Лападула поясняет: если бы сканируемые области были полностью покрыты баскетбольными мячами, система позволила бы точно измерить положение каждого мяча.

Однако, имея в распоряжении лишь одну такую передовую систему, сотрудники Lincoln Laboratory ограничены в площади покрытия и количестве стихийных бедствий, на которые они могут оперативно отреагировать с помощью этой технологии. В сборе и обработке данных, а также в разработке алгоритмов участвовали как сотрудники лаборатории (Группа активных оптических систем, Группа HADR), так и несколько отраслевых партнеров, включая компании 3DEO, LEEP, Basler Turbo Conversions и AIRtec.

Хотя лаборатория участвует в восстановлении после стихийных бедствий со времен землетрясения на Гаити в 2010 году, такой активности, как за последний год после ураганов «Харви», «Ирма» и «Мария» в 2017-м, еще не было. «Прошло десятилетие без того, чтобы крупный ураган обрушился на континентальную часть США, — размышляет Лападула. — Теперь кажется, что они просто не прекращаются».