ANALISIS DATA TIME SERIES GPS KONTINU DI DAERAH SUMATERA

ANALISIS DATA TIME SERIES GPS KONTINU DI DAERAH SUMATERA Studi Kasus : Data Continuous GPS SuGAr (Sumatran GPS Array) Tahun 2004-2007

TUGAS AKHIR Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

Oleh SARAH LEILA HANIEF NIM.151 06 065

Program Studi Teknik Geodesi dan Geomatika

Fakultas Ilmu dan Teknik Kebumian

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2012

LEMBAR PENGESAHAN Tugas Akhir Sarjana

ANALISIS DATA TIME SERIES GPS KONTINU DI DAERAH SUMATERA (Studi Kasus : Data Continous GPS SuGAr (Sumatran GPS Array) Tahun 2004-2007)

adalah benar dibuat oleh saya sendiri dan belum pernah dibuat dan diserahkan sebelumnya, baik sebagian maupun seluruhnya, baik oleh saya maupun orang lain, baik di ITB maupun di institusi lainnya.

Bandung, Juni 2012 Penulis,

Sarah Leila Hanief NIM. 151 06 065 Pembimbing I,

Pembimbing II,

Dr. Ir. Irwan Meilano, M.Sc.

Dr. Ir. Dudy Darmawan M.Sc.

NIP. 19740518 199802 1 001

NIP. 19751017 200604 1 001

Mengetahui, Ketua Program Studi Teknik Geodesi dan Geomatika,

Dr. Ir. Kosasih Prijatna, M. Sc. NIP. 19670727 199403 1 006

KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT karena berkat rahmat, hidayah dan karunia-Nya, penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul “Analisis Data Time Series GPS Kontinu di Daerah Sumatera (Studi Kasus: Data Continous GPS Sumatran GPS Array (SuGAr) Tahun 2004-2007)”. Tak lupa penulis panjatkan shalawat dan salam kepada Rasulullah Muhammad SAW beserta seluruh keluarga, sahabat, dan pengikutnya. Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat kelulusan sarjana Program Studi Teknik Geodesi dan Geomatika Fakultas Ilmu dan Teknologi Kebumian Institut Teknologi Bandung. Pada Tugas Akhir ini, penulis memanfaatkan teknologi GPS untuk mendapatkan data time series yang selanjutnya akan dianalisis. Hasil dari Tugas Akhir ini diharapkan dapat menjadi bahan untuk penelitian selanjutnya. Pada kesempatan ini, penulis ingin mengucapkan terima kasih dan penghargaan kepada : 1. Dr. Ir. Irwan Meilano, M.Sc. dan Dr. Ir. Dudy Darmawan M.Sc. selaku dosen pembimbing. 2. Ir. Bambang Subekti, MT, Dr. Ir. Dina Angreni Sarsito, MT, dan Dr. Ir. Vera Sadarviana, MT selaku dosen penguji. 3. Dr. Ir. Kosasih Prijatna, MT selaku ketua Program Studi Teknik Geodesi dan Geomatika ITB. 4. Seluruh dosen di lingkungan Program Studi Teknik Geodesi dan Geomatika yang telah memberikan ilmunya, seluruh karyawan dan staf tata usaha yang telah banyak membantu. Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu kritik dan saran sangat penulis harapkan untuk perbaikan di masa mendatang. Akhir kata semoga Tugas Akhir ini bermanfaat untuk kita semua. Bandung, Juni 2012

Penulis i

LEMBAR PENGHARGAAN Penghargaan dan penghormatan penulis sampaikan kepada semua yang telah berjasa dan menginspirasi, tidak hanya dalam proses penulisan Tugas Akhir, tapi juga dalam kehidupan sehari-hari penulis : 1. Allah SWT atas segala limpahan kasih sayang dan kemudahan yang telah dikaruniakan-Nya. 2. Rasulullah SAW sosok tauladan yang merupakan sebaik-baik manusia. 3. Kedua orang tuaku, untuk Papa dan Mama yang doanya untuk penulis tidak pernah putus. Semoga Allah selalu melindungi dan menyayangi Papa dan Mama, dan semoga Allah menjadikan penulis sebagai anak yang dapat Papa dan Mama banggakan. 4. Untuk Alief Muhammad Hanafie, yang secara tidak langsung penulis selalu berusaha agar menjadi tauladan yang baik untuknya. Ayo Lif, kita sama-sama berusaha keras demi membahagiakan Papa dan Mama. 5. Pa Irwan Meilano selaku dosen pembimbing I yang telah banyak meluangkan waktu untuk membimbing penulis dalam mengerjakan dan menyelesaikan Tugas Akhir, dan juga telah sabar dalam menghadapi perilaku penulis selama lebih dari dua tahun. Penulis memohon maaf atas segala kesalahan yang telah dibuat. 6. Pa Dudy Darmawan selaku dosen pembimbing II yang telah banyak membantu penulis menyempurnakan dan menyelesaikan Tugas Akhir, walau baru menjadi pembimbing seminggu sebelum seminar Tugas Akhir, tapi bantuan berupa masukan-masukan yang berguna terhadap penulis sangatlah banyak. Penulis pun meminta maaf karena telah merepotkan. 7. Pa Bambang Subekti, Bu Dina Angreni Sarsito, dan Bu Vera Sadarviana selaku dosen penguji yang telah banyak memberikan masukan-masukan yang sangat berguna kepada penulis selama sidang Tugas Akhir. 8. Pa Hasanuddin Z. Abidin selaku ketua Kelompok Keahlian Geodesi Fakultas Ilmu dan Teknologi Kebumian ITB. 9. Pa Kosasih Prijatna selaku ketua Program Studi Teknik Geodesi dan Geomatika ITB. ii

10. Pa Irwan Gumilar yang kepada beliau penulis merasa bersalah. Maaf Pak, tapi semuanya benar-benar diluar kuasa penulis. 11. Seluruh dosen di Prodi Teknik Geodesi dan Geomatika yang telah memberikan ilmunya selama penulis menuntut ilmu di jurusan ini. 12. Karyawan dan staf Tata Usaha Teknik Geodesi dan Geomatika Fakultas Ilmu dan Teknologi Kebumian ITB, 13. Dr. Ir. Danny Hilman Natawidjaja, M.Sc yang telah memberi kesempatan penulis untuk melakukan penelitian dan pengolahan data di LABEARTH Geoteknologi LIPI, 14. Pak Agusmen dan Mba Nina yang telah banyak memberikan kemudahan selama penulis melakukan pengolahan data di LABEARTH, 15. Seluruh guru yang telah memberikan ilmunya pada penulis, mulai dari para guru di TK Nurul Huda, SDN babakan Tarogong II, SDN Angkasa XII, SMPN 1 Margahayu, dan SMAN 8 Bandung. Segala jasa Bapak dan Ibu tak akan pernah penulis lupakan. 16. Rekan-rekan yang menjadi rekan penulis dalam menulis Tugas Akhir Mbak Mei, Rino dan Adit, 17. Para senior Kamerad IMG 2004 dan 2005 atas persaudaraannya. Semoga ikatan kita tak akan pernah putus, 18. Adik-adik Kamerad IMG 2007 dan 2008. Maaf penulis tidak dapat menjadi senior yang baik, 19. Kepada IMG untuk ilmu dan pembelajarannya. Padamu ku akan setia selalu, 20. Kamerad IMG06 yang telah menjadi keluarga untuk penulis. Penulis sangat bersyukur menjadi bagian dari kalian. Terima kasih atas momen-momen berharga yang tidak akan pernah terjadi jika tanpa kalian, 21. Cege06, Dini, Ruri, Nana, Dinda, Reni, Roro, Cimuik, Chuse, Nurul, Ocha, Meiline, dan Sisil. Akhirnya penulis menutup rangkaian cege yang lulus. Terima kasih atas dukungan yang telah diberikan, 22. Kamerad IMG06 penghuni Laboratorium Geodesi Lt. 1, Bedu dan Edu yang telah mendahului penulis lulus, lalu para veteran, kakek, meong, dan avatar aang yang setia hingga akhir bersama penulis berjuang mengerjakan Tugas Akhir dan wisuda sama-sama, iii

23. Rekan-rekan penghuni Lab GD yang bersama-sama berjuang untuk wisuda, mowenchen, adi, dan james, dan juga adik-adik yang akan memegang tampuk di Lab GD selanjutnya, oma, akbar dan dita, 24. Those bitchys out there whom I miss a gazillion, jeng mecin (yang kadar mecinnya agak menurun, dan pesonanya selalu dalam radius 5m, love you!), neng dipa (I wonder why you love bullying me, you are my junior! btw I’ll have my eyebrows under surgery, you’ll see!), ibu presiden (aku lagi off les korea jadi wisuda nanti aku bisa datang, haha..sorry~), tante atika (no need words for you cos you know me, I’m all yours bep), dan mbak rosa (I will always envy you about teteh katy,hiks!btw kapan kita nonton mas adam?!). Ton of thanks for you guys for all support and love. You guys are legen-wait for it-dary!!! 25. Untuk Lady Winona 3252WM dan Lord Knight 4472YR yang sudah seperti keluarga bagi penulis. Tiada hari tanpa keduanya, terima kasih telah bersama penulis kemana pun penulis pergi selama lebih dari lima tahun. 26. 우리 소녀시대, 김 태연, 정 제시카, 이 써니, 황 티파니, 김 효연, 권 유리, 최 수영, 임 윤아 와 서 주휸. I’m soo thankful that I know you. Thanks for being an

inspiration. I’ll never stopped working hard and reaching my dreams. 지금은 소녀시대, 앞으로도 소녀시대, 영원히 소녀시대!! 사랑해~

27. Semua pihak yang telah membantu dan tidak mungkin disebutkan satu persatu.

iv

ABSTRAK Pada setiap data time series GPS, terdapat sinyal-sinyal yang mempengaruhi hasil hitungan yang didapat. Komponen-komponen tersebut akan membentuk suatu pola dalam data time series GPS. Pada umumnya, dalam suatu data time series GPS terdapat komponen periodik yang biasanya tidak dapat dideteksi dengan langsung. Untuk mendeteksi komponen periodik tersebut, maka dilakukan analisis spektral. Tujuan dari analisis spektral ini adalah untuk mendeteksi komponen perodik apa yang berpengaruh dominan dalam suatu data time series. Dengan mengetahui jenis dari komponen periodiknya, maka kita bisa mengetahui karakteristik dari data time series tersebut dan kemudian dapat ditentukan berapa jenis parameter yang dibutuhkan untuk melakukan curve fitting. Dalam melakukan fitting, digunakan dua buah pendekatan, yaitu fitting secara linier saja dan fitting linier dengan memperhitungkan komponen periodik. Sebagai bahan pembandingan antara kedua metode ini, maka dihitung pula laju pergeseran titik pengamatan per tahunnya. Dari analisis yang dilakukan terhadap kedua metode ini, didapat bahwa perbedaan laju pergeseran per tahun ketika menggunakan metode fitting linier dan ketika menggunakan metode fitting linier dengan memperhitungkan komponen periodik yang paling besar yaitu bernilai 3.7 mm per tahun. Kata kunci : analisis spektral, fitting, komponen periodik, laju pergeseran, time series.

v

ABSTRACT In each GPS time series data, there are signals which exist and affect the result that has been received. Those components will form certain pattern in time series. Basically, time series has periodic component which commonly not being able to be detected directly. To detect this periodic component in time series, there is a way which is called spectral analysis. The purpose of spectral analysis is to detect which periodic component that dominantly affect the time series. With acknowledge periodic component in a time series, we can know the characteristic of the time series and later, we can determine how many parameters will be needed to do curve fitting. There are two approximations in fitting, it is either linier fitting only or linier fitting with including periodic component. As a comparison between these two methods, we need to estimate displacements velocity rate in a year. From the analysis that has been done, the result is that the difference displacements velocity rate between these two methods is 3.7 milimeters per year. Keywords : displacements velocity rate, fitting, periodic component, spectral analysis, time series.

vi

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ..............................................................................................i LEMBAR PENGHARGAAN ................................................................................. ii ABSTRAK .............................................................................................................. v ABSTRACK ...........................................................................................................vi DAFTAR ISI .........................................................................................................vii DAFTAR GAMBAR .............................................................................................. ix DAFTAR TABEL ................................................................................................... xi DAFTAR LAMPIRAN ..........................................................................................xii

BAB I PENDAHULUAN ......................................................................................... 1 1.1 Latar Belakang .................................................................................................... 1 1.2 Ruang Lingkup .................................................................................................. 4 1.3 Maksud dan Tujuan ............................................................................................ 4 1.4 Manfaat .............................................................................................................. 5 1.5 Metodologi Penelitian ........................................................................................ 5 1.6 Sistematika Penulisan ......................................................................................... 7 BAB II DASAR TEORI............................................................................................ 8 2.1 Struktur Bumi .................................................................................................... 8 2.2 Tektonik Lempeng .............................................................................................. 9 2.3 Analisis Deret Waktu ....................................................................................... 10 2.4 Pengertian Analisis Spektral ............................................................................. 14 2.5 Peran Teknologi GPS dalam Memantau Pergerakan Lempeng Bumi ................ 17 2.5.1 Definisi dan Komponen Utama GPS ............................................................. 17 vii

2.5.2 Dasar Penentuan Posisi dengan Menggunakan GPS ...................................... 19 2.5.3 Metode-metode Penentuan Posisi dengan Menggunakan GPS ....................... 21 2.5.4 Ketelitian Pengukuran GPS ........................................................................... 22 2.5.4.1 Definisi Akurasi dan Presisi ....................................................................... 22 2.5.4.2 Kesalahan dan Bias Pada Pengukuran GPS ................................................. 23 BAB III PENGOLAHAN DATA ........................................................................... 31 3.1 Data yang Digunakan ....................................................................................... 31 3.2 Software yang Digunakan dalam Mengolah Data ............................................. 32 3.3 Pengolahan Data dengan Bernese 5.0 ............................................................... 33 3.4 Strategi Pengolahan Data dengan Menggunakan Bernese 5.0 ........................... 39 3.5 Transformasi Koordinat dari Geosentrik ke Toposentrik .................................. 41 3.6 Ekstrak Data ..................................................................................................... 42 3.7 Analisis Spektral dengan Metode Normalisasi Periodogram Lomb ................... 44 3.8 Metode Menghitung Kecepatan Pergeseran di Setiap Titik ............................... 45 BAB IV ANALISIS DATA TIME SERIES GPS KONTINU SUGAR 2004-2007... 47 4.1 Analisis Komponen Periodik pada Setiap Data Time Series per Stasiun ............ 47 4.2 Analisis Kecepatan Pergeseran per Tahun ........................................................ 52 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ................................................................. 55 5.1 Kesimpulan ...................................................................................................... 55 5.2 Saran ................................................................................................................ 56 DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................ 57

viii

DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Batas pertemuan lempeng di Indonesia ................................................. 1 Gambar 1.2 Perkembangan benua di bumi berdasarkan Teori Continental Drift ....... 2 Gambar 1.3 Persebaran titik-titik Stasiun SuGAr ...................................................... 3 Gambar 2.1 Struktur bumi ........................................................................................ 8 Gambar 2.2 Tren linier dalam suatu data pengamatan time series GPS .................... 11 Gambar 2.3 Pola naik-turun dalam suatu data time series GPS ............................... 12 Gambar 2.4. Pola gerak musiman pada suatu data time series GPS ......................... 12 Gambar 2.5. Pola tak beraturan dalam suatu data time series GPS .......................... 13 Gambar 2.6 Model bentuk data time series ............................................................. 14 Gambar 2.7 Analisis Korelasi ................................................................................ 15 Gambar 2.8 Korelasi silang antara dua buah time series f(t) dan g(t) ....................... 16 Gambar 2.9 Segmen Sistem GPS ............................................................................ 18 Gambar 2.10 Lokasi stasiun pemonitor dan pengontrol GPS .................................. 18 Gambar 2.11 Skema kerja sistem kontrol GPS ....................................................... 19 Gambar 2.12 Komponen utama dari receiver GPS .................................................. 19 Gambar 2.13 Prinsip dasar penentuan posisi GPS ................................................... 20 Gambar 2.14 Metode Penentuan Posisi dengan GPS .............................................. 21 Gambar 2.15 Ilustrasi akurasi dan presisi ............................................................... 22 Gambar 2.16 Pengaruh Kesalahan Orbit ................................................................. 24 Gambar 2.17 Efek multipath ................................................................................... 26 Gambar 2.18 Pola Sinusoidal dari efek multipath ................................................... 27 Gambar 2.19 Series pengamatan stasiun BAKO ..................................................... 30 ix

Gambar 3.1 Koordinat titik BAKO yang diperoleh dari hasil pengolahan Bernese . 37 Gambar 3.2 Pembuatan baseline manual pada bernese ........................................... 39 Gambar 3.3 Hubungan antara sistem koordinat geosentrik dengan sistem koordinat toposentrik ............................................................................................................. 41 Gambar 3.4 Perbandingan antara data time series stasiun PSKI sebelum outlier dihilangkan dan sesudah outlier dihilangkan ........................................................... 43 Gambar 4.1 Perbandingan Root Mean Square (rms) dari data time series sebelum outlier dibuang dan sesudah outlier dibuang ............................................................... 49 Gambar 4.2 Periodogram Lomb dari Stasiun MSAI untuk komponen EW, NS, dan UD .................................................................................................................................. 50 Gambar 4.3 Perbandingan kurva sinyal linier dengan sinyal yang memiliki komponen periodik ................................................................................................. 52

x

DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Daftar interval waktu pengamatan stasiun SuGAr ................................... 31 Tabel 3.2 Komponen-komponen penyusun BPE .................................................... 35 Tabel 3.3 Baseline yang dibuat ............................................................................... 40 Tabel 4.1 Daftar perbandingan nilai rms antara data yang mengandung outlier dengan data yang telah bebas outlier ...................................................................... 47 Tabel 4.2 Periodesitas Tiap-tiap stasiun GPS ......................................................... 51 Tabel 4.3 Perbandingan kecepatan pergeseran per komponen di tiap titik antara kurva linier dengan kurva yang memiliki komponen periodik .......................................... 54

xi

DAFTAR LAMPIRAN Lampiran A Ketersediaan Data Stasiun SuGAr ................................................... …60 Lampiran B Perbandingan Data Time Series Stasiun SuGAr Sebelum Outlier Dihilangkan dan Sesudah Outlier Dihilangkan ........................................................ 64 Lampiran C Perbandingan RMS Data Time Series Stasiun SuGAr Sebelum Oulier Dihilangkan dan Sesudah Outlier Dihilangkan ....................................................... 73 Lampiran D Periodogram Lomb ............................................................................ 82 Lampiran E Perbandingan Fitting Data Time Series Dengan Kurva Linier dan Dengan Kurva Periodik ........................................................................................... 91

xii