PENGINDRAAN JAUH.doc

PENGINDRAAN JAUH

BAB 1

SEJARAH DAN DASAR-DASAR PENGINDERAAN JAUH

1. 1. Pendahuluan

Penginderaan jauh adalah ilmu dan seni untuk memperoleh informasi obyek,

daerah atau fenomena, yang dianalisa menggunakan data yang diperoleh dari alat perekam

dengan tanpa kontak langsung dengan obyek, daerah atau fenomena yang dikaji tersebut.

Membaca buku adalah contoh kita menerapkan penginderaan jauh dimana mata kita

bertindak sebagai sensor yang bekerja merespon cahaya yang dipantulkan dari halaman

buku dan kemudian otak kita menganalisa dan menerjemahkan kumpulan pantulan cahaya

tadi menjadi huruf-huruf yang menyusun kalimat. Dari kalimat-kalimat yang telah tersusun

ini kemudian kita menginterpretasi informasi yang terkandung di dalam kalimat-kalimat

tersebut.

Pengumpulan data penginderaan jauh dapat berbentuk sebaran kekuatan gaya,

gelombang akustik atau energi elektromagnetik. Gravity Meter merekam data dalam

bentuk variasi sebaran gaya gravitasi, Sonar mengumpulkan data variasi distribusi

gelombang akustik dan mata kita merekam data dalam bentuk variasi distribusi gelombang

elektromagnetik. Di dalam modul ini bentuk energi yang akan dibahas adalah energi

elektromagnetik yang digunakan oleh sensor yang terdapat pada pesawat terbang dan

wahana luar angkasa untuk inventarisasi, pemetaan dan pemantauan Sumber Daya Alam

(SDA) dan lingkungan. Sensor memperoleh data dari energi elektromagnetik yang

dipancarkan dan dipantulkan oleh obyek yang terdapat di atas permukaan bumi untuk

kemudian dianalisa agar diperoleh informasi sumber daya yang terkandung di dalamnya.

Gambar 1.1 menjelaskan proses secara umum dan elemen-elemen yang terkait

pada penginderaan jauh elektromagnetik untuk sumber daya alam dan lingkungan. Ada dua

proses utama yang berlangsung yaitu perolehan data (data acquisition) dan analisa data

(data analysis). Elemen untuk perolehan data terdiri dari sumber energy (a), perambatan

energi melalui atmosfer (b), interaksi energi dengan obyek permukaan bumi (c),

pengiriman balik energi melalui atmosfer (d), sensor pesawat terbang/wahana ruang

angkasa (e) dan hasil rekaman sensor dalam bentuk pictorial/dijital (f). Proses analisa data

(g) meliputi pemeriksaan data pictorial/dijital menggunakan peralatan pengamatan dan

interpretasi. Data referensi untuk daerah atau fenomena yang dikaji (misalnya peta tanah,

statistik hasil panen atau data pengecekan lapangan) digunakan dalam membantu proses

analisa yang dilakukan. Dengan bantuan data referensi ini, seorang analis mendapatkan

informasi tentang tipe, besaran, lokasi dan kondisi berbagai macam sumber daya alam

yang terekam dalam sensor penginderaan jauh. Informasi ini, baik dalam bentuk peta, tabel

atau file dijital, kemudian digabungkan (h) dengan informasi lain dalam sistem informasi

geografis (SIG) untuk menghasilkan informasi baru yang dapat dimanfaatkan oleh

pengguna dalam proses pengambilan keputusan (i).

Penginderaan jauh mampu memberikan gambaran yang melebihi batas kemampuan

penglihatan manusia. Penginderaan jauh memungkinkan kita mengumpulkan informasi

tentang suatu wilayah yang sulit, mahal, berbahaya dan terpencil untuk diamati secara

langsung oleh manusia. Data penginderaan jauh memiliki berbagai bentuk termasuk di

dalamnya foto udara, citra satelit dijital dan radar. Dengan menggunakan teknologi

penginderaan jauh daerah perairan, pertanian dan kehutanan yang luas, iklim yang ekstrem

atau fenomena radioaktif dapat dipantau dengan mudah.

Penginderaan jauh memberikan keunggulan penting dibandingkan metode

pengumpulan data lain sehingga memungkinkan penginderaan jauh digunakan untuk

berbagai bentuk aplikasi. Penginderaan jauh juga memberikan gambaran obyek atau

fenomena yang memungkinkan kita membedakan pola-pola dan hubungan antar pola-pola

tersebut yang tidak tampak di permukaan bumi.

Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai Sejarah dan Dasar-dasar Penginderaan

Jauh. Dasar-dasar penginderaan jauh membahas konsep dasar fisika penginderaan jauh

yang meliputi sumber tenaga, panjang gelombang, spektrum elektromagnetik, atmosfera,

dan interaksi gelombang elektromagnetik dengan obyek.

1.2. Sejarah Penginderaan Jauh

Penginderaan jauh telah digunakan lebih dari satu abad yang lalu, diawali oleh citra

foto yang diperoleh dengan mengggunakan balon udara dan kemudian berlanjut dengan

pesawat udara serta satelit. Perkembangan awal foto udara, suatu bentuk penginderaan jauh

yang berkembang dari foto yang diambil menggunakan kamera yang dibawa oleh balon

udara dan layang-layang, sebagian besar dipicu oleh kebutuhan militer. Penyediaan

informasi dengan menggunakan pesawat terbang dan wahana luar angkasa mata-mata

untuk daerah yang sulit didatangi telah terbukti dapat memberikan gambaran kemampuan

militer sebuah negara. Kemajuan teknologi komputer dan perekaman data membuat citra

dijital dapat digunakan sejak tahun 1970-an yang kemudian berkembang menjadi sistem

pengolahan data berbasiskan komputer serta memungkinkan pengolahan dan analisa data

penginderaan jauh yang memiliki resolusi spasial tinggi. Sensor-sensor baru dibuat

termasuk di dalamnya adalah scanner multispectral, radar (radio detection and ranging)

dan lidar (light detecting and ranging). Pada tahun 1990-an, pengenalan teknologi posisi

satelit, komputer berkecepatan tinggi, dan kemajuan di bidang fotogrametri dan

telekomunikasi secara dramatis telah meningkatkan kecepatan dan akurasi citra untuk

direkam, dianalisa dan disebarkan. Saat ini beberapa satelit sipil telah dapat

mengumpulkan gambaran muka bumi secara terus menerus dengan memberikan beragam

informasi untuk dapat dimanfaatkan kita semua.

Sejarah penginderaan jauh modern diawali oleh penemuan kamera fotografi 150

tahun yang lalu. Pada tahun 1858 diproduksi foto udara pertama yang diambil dengan

menggunakan balon udara yang terbang pada ketinggian 80 meter. Pemanfaatan pertama

foto udara untuk keperluan militer terjadi selama perang sipil di Amerika Serikat pada

tahun 1862. Pada awal tahun 1900-an, kemajuan teknologi fotografi telah membawa

perubahan ukuran kamera menjadi lebih kecil serta lensa dan film yang lebih cepat yang

memungkinkan foto udara dapat dihasilkan dari wahana yang berukuran kecil, termasuk

layang-layang dan burung merpati. Peristiwa perang dunia ke-1 memperlihatkan

perkembangan foto udara dan metode interpretasi citra yang sangat cepat di bidang militer.

Terjadinya perang dunia ke-2 telah memacu para ahli untuk mengembangkan teknologi

penginderaan jauh baru seperti film fotografi dan pengembangan filter khusus yang

membawa kepada perkembangan film infra merah berwarna. Selain itu kemajuan penting

pada periode ini ditandai dengan munculnya teknologi radar yang digunakan untuk

mendeteksi keberadaan obyek, dengan perekaman dilakukan pada malam hari dan datanya

digunakan untuk memandu operasi pengeboman pada kondisi cuaca buruk. Pada periode

tahun 1950 sampai dengan tahun 1970-an, perkembangan pengindraan jauh ditandai

dengan pemanfaatan film infra merah warna, perekaman citra radar yang makin maju dan

perekaman data menggunakan band spektral multi (multispectral bands) serta scanner optis

yang mampu menghasilkan citra multispectral dalam bentuk dijital.

Tahun 1960, diluncurkan TIROS-1 (Television and Infrared Observation Satellite)

yang merupakan satelit pemantau bumi non militer pertama untuk keperluan pengamatan

cuaca. Satelit cuaca pertama ini memberikan gambaran pola awan dan bentuk permukaan

bumi secara detail pada resolusi spasial rendah. Peluncuran TIROS-1 telah menjadi dasar

pengembangan satelit sumber daya bumi pertama yaitu ERTS-1 (Earth Resources

Technology Satellite).

1.3. Dasar-dasar Penginderaan Jauh

A. Sumber tenaga

Sistem penginderaan jauh baik pasif maupun aktif memerlukan sumber tenaga yang

dapat berupa sumber tenaga alamiah maupun sumber tenaga buatan. Sinar X, ultraviolet,

tampak, panas dan gelombang radio merupakan bagian dari sumber tenaga gelombang

elektromagnetik. Semua tenaga pada dasarnya sama, yaitu melakukan radiasi sesuai

dengan teori dasar gelombang, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.2. Gambar tersebut

mengungkapkan bahwa tenaga elektromagnetik bergerak secara harmonis berbentuk

sinusoidal pada suatu kecepatan cahaya (c). Jarak dari puncak gelombang ke puncak

gelombang berikutnya disebut panjang gelombang (), dan jumlah puncak yang melewati

suatu titik tertentu dalam ruang persatuan waktu adalah frekuensi (f).

Gambar 1.2. Komponen gelombang elektromagnetik yang meliputi gelombang elektrik

sinusoidal (E) dan gelombang magnetik sinusoidal (M), yang perambatannya saling tegak

lurus terhadap arah radiasi (Sumber: Jensen, 2005).

B. Panjang gelombang

Panjang gelombang dalam penginderaan jauh dapat diklasifikasikan menjadi 3 (tiga)

macam sesuai dengan daerah panjang gelombangnya, yaitu (a) Gelombang tampak dan

infra merah (visible and infrared), (b) Gelombang infra merah panas (thermal infrared), (c).

Gelombang mikro (microwave).

Panjang gelombang tampak dan infra merah ini menggunakan sumber energi dari

matahari. Karena matahari dapat memancarkan energi elektromagnetik dengan puncak

panjang gelombang = 0,5 m. Data penginderaan jauh yang diperoleh pada daerah panjang

gelombang tampak dan infra merah sangat tergantung pada reflektan dari obyek di muka

bumi. Oleh karena itu, informasi tentang obyek dapat diperoleh dari nilai pantulan spektral

obyek yang bersangkutan.

Panjang gelombang infra merah panas menggunakan sumber pancaran energi dari

obyek itu sendiri. Karena setiap obyek yang memiliki suhu mutlak diatas 0 derajat akan

memancarkan radiasi gelombang elektromagnetik dengan puncak panjang gelombang

sekitar 10 m.

Panjang gelombang mikro ini, ada dua macam yaitu panjang gelombang mikro aktif

dan panjang gelombang mikro pasif. Panjang gelombang mikro pasif menggunakan radiasi

gelombang mikro dan panjang gelombang mikro aktif mendeteksi nilai hamburan balik

(back scatter) dari obyek yang diamati.

C. Spektrum elektromagnetik

Spektrum elektromagnetik merupakan berkas dari tenaga elektromagnetik, yang

meliputi spektra kosmis, Gamma, X, ultraviolet, tampak, inframerah, gelombang mikro,

dan gelombang radio. Jumlah total seluruh spektrum disebut spektrum elektromagnetik.

Energi elektromagnetik dapat digambarkan melalui panjang gelombangnya. Bagian

spektrum elektromagnetik yang digunakan dalam penginderaan jauh terletak secara

berkesinambungan yang dicirikan dengan perubahan-perubahan besaran tenaga dengan

kelipatan 10 berpangkat banyak seperti Gambar 1.3. Oleh karena itu lazim digunakan skala

logaritma untuk menggambarkan besaran radiasi yang dipancarkan oleh benda hitam pada

berbagai tingkatan suhu. Panjang gelombang dominan atau panjang gelombang dimana

kurva radiasi benda hitam mencapai nilai maksimum bervariasi tergantung suhunya.

Hubungan antara panjang gelombang dominan dengan suhunya diatur dalam hukum

pergeseran Wien (Wien’s displacement law),

m (Persamaan 1)

dimana

m = panjang gelombang pada nilai radiasi maksimum (m),

A = 2.898 m K,

T = suhu (dalam K)

Kurva di bawah juga menunjukkan bahwa semakin meningkat suhunya maka puncak

radiasi benda hitam akan bergeser kea rah panjang gelombang yang lebih pendek. Hal itu

bisa dilihat apabila kita membandingkan kurva radiasi pada suhu bumi dengan kurva

radiasi pada suhu matahari, dimana panjang gelombang maksimumnya bergeser dari

panjang gelombang sekitar 10 m ke 0,5 m.

Sinar tampak akan berkaitan dengan spektrum warna, yang biasanya tersusun

dengan baik dari -panjang ke -pendek yaitu merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila dan

ungu. Warna biru terletaka pada kisaran 0,38 - 0,5 m, hijau antara 0,5 - 0,6 m, dan

merah antara 0,6 - 0,7 m. Gelombang ultraviolet bersebelahan dengan gelombang biru,

sementara gelombang inframerah terletak berdampingan dengan panjang gelombang

merah. Inframerah dibagi kedalam tiga bagian yaitu inframerah dekat (0,7 m – 1,3 m),

inframerah menengah (1,3 m – 3 m) dan inframerah thermal (3 m – 14 m).

Gelombang yang lebih panjang ditempati oleh gelombang mikro yang nilainya berkisar

antara 1 mm – 1 m. Tabel 1.1 memperlihatkan pembagian spektrum elektromagnetik mulai

dari sinar Gamma sampai gelombang radio.

Gambar 1.3. Besaran radiasi yang dipancarkan oleh benda hitam

sempurna (black body) dalam beberapa tingkatan suhu (Sumber: Lillesand et al., 2005)

Teori gelombang yang digunakan untuk menerangkan bagaimana energi

elektromagnetik berinteraksi dengan benda adalah teori partikel. Teori ini menyatakan

bahwa radiasi elektromagnetik terdiri atas beberapa bagian terpisah yang disebut foton atau

quanta. Tenaga satu quantum dapat ditulis sebagai berikut:

E = hf (Persamaan 2)

di mana E = tenaga suatu quantum, dalam Joule (J)

h = tetapan Plank, sebesar 6,626 x 10-34 Joule/ detik

Tabel 1.1. Pembagian spektrum elektromagnetik

Spektrum Elektromagnetik Panjang Gelombang

Sinar Gamma < 0,03 nm

Sinar X 0,03 – 240 nm

Ultraviolet 0,24 m – 0,38 m

Sinar Tampak

- Merah

- Hijau

- Biru

0,60 m – 0,70 m

0,50 m – 0,60 m

0,38 m – 0,50 m

Inframerah Dekat 0,70 m – 1,0 m

Inframerah Pendek 1,0 m – 3,0 m

Inframerah Thermal 3,0 m – 8,0 m

Gelombang Mikro 1 mm – 100 cm

Gelombang Radio > 100 cm

Catatan: 1 milimeter (mm) = 1.000 mikrometer (m) = 1.000.000 nanometer (nm)

Sumber: Aronoff, 2005

Teori gelombang dapat dihubungkan dengan teori quantum di dalam perilaku

radiasi elektromagnetik, dengan menggantikan f pada persamaan C = f ke dalam

persamaan E = hf sehingga diperoleh:

hc

E =---------- (Persamaan 3)

Dengan demikian, kita lihat bahwa tenaga quantum secara proporsional berbanding

terbalik dengan panjang gelombangnya, sehingga makin panjang penggunaan panjang

gelombangnya makin rendah kandungan tenaganya. Sifat ini penting implikasinya dalam

penginderaan jauh, karena radiasi panjang gelombang panjang (seperti gelombang mikro)

yang dipancarkan secara alamiah oleh kenampakan medan lebih sulit diindera

dibandingkan dengan tenaga yang dipancarkan oleh panjang gelombang yang lebih pendek

(seperti gelombang inframerah thermal). Oleh karena itu sistem penginderaan jauh yang

bekerja dengan panjang gelombang panjang, harus mengamati permukaan bumi yang luas,

pada waktu tertentu, agar dapat memperoleh sinyal tenaga dari objek di muka bumi yang

dideteksi.

D. Atmosfer

Atmosfer terdiri dari molekul gas dan benda padat serta cair yang disebut aerosol.

Lapisan atmosfer terdiri atas lapisan troposfer, stratosfer, mesosfer, dan termosfer.

Troposfer merupakan lapis terbawah hingga ketinggian 10 km di atas kutub dan 16 km di

atas ekuator. Suhu pada troposfer turun sekitar 6oC - 7oC setiap naik 1 km. Stratosfer

merupakan lapis di atas troposfer hingga ketinggian 50 km. Suhu pada lapis ini kebalikan

dengan troposfer, yaitu suhu naik pada ketinggian yang semakin besar. Hal ini disebabkan

oleh adanya serapan sinar ultraviolet oleh gas ozon. Konsentrasi gas ozon terbesar di

lapisan stratosfer. Lapis di atas stratosfer adalah mesosfer yang ketinggiannya hingga 85

km dan pada lapis ini suhu turun bila ketinggian bertambah. Penurunan suhu bahkan lebih

tajam dibanding dengan penurunan pada lapisan troposfer. Meskipun demikian suhu di

lapisan mesosfer sangat labil, karena tempatnya lebih dekat dengan lingkungan panas.

Lapisan di atas mesosfer adalah termosfer, yang suhunya naik dengan bertambahnya

ketinggian. Suhu pada lapisan ini dapat mencapai 1.500 oK atau 1.227 oC. Perubahan suhu

terkecil terjadi di bawah ketinggian 100 km, dan pada ketinggian di atas 120 km dapat

terjadi perubahan suhu dengan perbandingan 3 : 1 (Flock, 1979).

Atmosfer juga membatasi bagian spektrum elektromagnetik yang dapat digunakan

dalam penginderaan jauh. Pengaruh atmosfer bervariasi menurut panjang gelombang,

waktu dan tempat. Di atmosfer ada hambatan yang berupa hamburan pada spektrum

tampak dan serapan pada spektrum infra merah.

Transmisi atmosfer terbagi dalam daerah gelap (blocking areas) serta daerah

pengiriman (transmission areas) dari spektrum elektromagnetik yang disebut jendela.

Jendela adalah bagian dari spektrum elektromagnetik yang memungkinkan energi

melewati atmosfer untuk kemudian dipantulkan atau diserap permukaan bumi dan

kemudian dipantulkan atau dipancarkan kembali ke atmosfer. Jendela atmosfer terjadi

akibat serapan minimum, sehingga terjadi kisaran panjang gelombang.