BAB 2 STUDI REFERENSI Bab ini berisi rangkuman hasil studi referensi yang telah dilakukan . Referensi- referensi tersebut berisi konsep dasar pengukuran 3dimensi menggunakan terrestrial laser scanner , dan metode-metode pengukuran lainnya. 2.1
Konsep dasar Terrestrial laser scanner
Terrestrial Laser Scanning (TLS) adalah sebuah teknik menggunakan cahaya laser untuk mengukur titik-titik dalam sebuah pola secara langsung dalam tiga dimensi dari yang ada pada permukaan objek dari sebuah tempat di permukaan bumi.Hasil yang didapatkan dari pengukuran TLS ini adalah point cloud yang berkoordinat tiga dimensi terhadap tempat berdiri alat. Point cloud tersebut adalah kumpulan titik-titik dalam jumlah banyak yang dapat digunakan sebagai bahan pembuatan model tiga dimensi. TLS ini mempunyai kekurangan yaitu ketidakmampuan TLS dalam mengakusisi warna yang sesuai dengan warna aslinya. Warna yang didapatkan oleh alat TLS adalah intensitas pantulan dari benda yang ditembak oleh laser tersebut(Quintero, et al., 2008). Tipe TLS ini dibagi menjadi dua bagian yang besar yaitu dynamiclaser scanning dan staticlaser scanning. Staticlaser scanner mempunyai ketelitian dan kepadatan titik yang lebih baik dari dynamiclaser scanning. Dalam proses dynamiclaser scanning dibutuhkan beberapa alat yang mendukung penentuan posisi tiga dimensi tersebut. Alat tersebut seperti Inertia Measurement Unit dan GPS.Alat ini membuat biaya dynamiclaser scanner sangat tinggi. Pada staticlaser scanner, tipe TLS tersebut terbagi lagi menjadi tiga jenis bergantung pada kemampuan seberapa jauh kekuatan laser tersebut dapat dipantulkan oleh benda. Tiga jenis TLS adalah long range, medium range, dan close range TLS . Pembagian ketiga jenis tersebut mempengaruhi penerapannya di bidang industri. Bidang- bidang industri yang menggunakan TLS ini dapat dilihat pada Gambar 2.1
7
Gambar 2.1 Aplikasi dari Terrestrial Laser Scanning (Quintero, et al., 2008) TLS yang beredar terbagi menjadi dua jenis metode pengukuran yaitu metode pengukuran
(time of filght) dan phase based. Dalam penelitian ini, alat yang
digunakan menggunakan metode pengukuran pulse based. 2.1.1
Pulse based
Prinsip kerjapulse basedadalah pengukuran yang didasarkan kepada waktu tempuh gelombang laser sejak dipancarkan sampai diterima kembali oleh penerima pulsa laser tersebut.Waktu tempuh tersebut digunakan untuk menghitung jarak antara TLS dengan target. Perhitungan jarak tersebut dapat dilihat pada persamaan 2.1 yang di ambil dari (Quintero, et al., 2008). Ilustrasi dapat dilihat pada Gambar 2.2.
8
Gambar 2.2 Ilustrasi pengukuran jarak berdasarkan pulsa(Quintero, et al., 2008).
... ......................................... (2.1) Sumber (Quintero, et al., 2008) Keterangan : D
: jarak dari alat ke objek
c
: kecepatan rambat gelombang (meter/second)
∆t
: waktu tempuh (second)
Pulsa cahaya laser tersebut dipancarkan dari sumber laser mengenai titik di permukaan objek,kemudian dipantulkan kembali mengenai penerima sinyal laser .Alat penerima dan penghitung pulsa laser tersebut disebut laser range finder.laser range finder ini hanya mendeteksi satu arah dari TLS tersebut.Bila arah tembakan laser tersebut dirubah , jarak antara objek dengan pemancar sinyalpun akan berubah. Namun, laser range finder ini dapat dirubah arahnya sesuai dengan arah tembakan dan besarnya daerah pandang yang akan di scan. Faktor yang mempengaruhi akurasi dari metode pengukuran jarak berdasarkan teknik pulsa basedini sebagai berikut : 1. Kemampuan untuk kembali ke posisi yang sama antara pulsa yang dipancarkan dengan pulsa yang diterima untuk mengukur interval waktunya. 2. Akurasi dari tenggang waktu di dalam system. 3. Akurasi dari alat yang mengukur interval waktu.
9
Keuntungan menggunakan laser scanner pulsa ranging ini adalah tingginya konsentrasi kekuatan laser.Dengan tingginya kekuatan laser tersebut, Laser range findermemungkinkan untuk mendapatkan SNR untuk kebutuhan akurasi tinggi dari pengukuran jarak jauh sampai 100 meter (Quintero, et al., 2008). Secara garis besar konsep pengukuran laser scanner range finderseperti berikut.:
z d α
x β
y Gambar 2.3Konsep pengukuran koordinat tiga dimensi Keterangan α adalah sudut vertikal antara bidang horizontal dengan arah penembakan laser. β adalah sudut horizontal antara arah penembakan laser dengan sumbu x alat. d adalah jarak yang didapatkan dari pengukuran waktu tempuh laser.
Dari pengukuran laser dari TLS didapatkan dua hal. Hal pertama adalah reflektivitas. Reflektivitas dari benda adalah laser yang dipantulkan oleh benda yang dibidik dari laser scanner. Hal kedua adalah koordinat. Koordinat tersebut didapatkan dari pengukuran sudut dan jarak. Pengukuran sudut didapatkan dari IMU yang berada pada TLS. Konsep pengukuran jaraknya telah disebutkan pada bagian sebelumnya. Oleh karena itu secara keseluruhan koordinat objek didapatkan dari persamaan berikut: ℎ cos() .................................. (2.2) ℎ cos() ................................. (2.3) 10
ℎ sin( ) ................................. (2.4) sin ( ) .................................................... (2.5)
Kesalahan alat pada instrumen Laser Scanner dapat berupa kesalahan sitematik ataupun kesalahan acak tergantung dari disain scanner yang digunakan.Kesalahan acak biasanya mempengaruhi presisi pada pengukuran jarak dan sudut pada laserrangefinder.Sedangkan kesalahan sistematik dapat ditimbulkan oleh ketidaklinearan system pengukuran beda waktu atau karena perubahan suhu pada instrument pengukur waktu pada alat yang mengakibatkan perubahan hasil pada pengukuran jarak. 1. Perambatan Sinar Laser Menurut (Quintero, et al., 2008), Sinar laser tersebut idealnya berjalan lurus dan tidak terjadi divergensi dari sinar tersebut sampai mengenai target dan kembali diterima oleh range finder. Namun dengan gangguan pada udara sinar tersebut, terjadi penyebaran sinar laser tersebut yang menyebabkan pengaruh besar dari ketelitian posisi dari sebuah titik yang diukur. Praktisnya penyebaran sinar laser tersebut berdapak pada lokasi angular dari posisi titik yang diukur.Seharusnya lokasi titik yang diukur berada pada titik tengah dari sinar laser tersebut. Namun karena adanya penyebaran sinar laser tersebut titik tengah sinar laser tersebut berubah sehingga menimbulkan perubahan lokasi titik dari yang diproyeksikan secara lurus. Ketidakpastian sinar tersebut dapat diaproksimasi sebesar seperempat dari diameter sinar laser tersebut. 2. Masalah dalam tepi objek Sebuah sinar laser mempunyai diameter tersendiri. Bila sinar laser yang dipancarkan tersebut mengenai tepi dari sebuah objek, maka pantulan dari sinar laser tersebut terbagi menjadi dua. Ada bagian dari sinar laser tersebut mengenai bagian tepi bagian terdekatnya, ada pula bagian laser yang mengenai permukaan bagian terjauhnya . Pantulan dari sinar laser tersebut mempunyai informasi dari kedua bagian yang berbeda. Hasilnya yang ditangkap dalam pada range finder 11
tersebut adalah rata rata dari kedua sinyal balik sehingga menghasilkan posisi titik yang salah. Ilustrasi sinar laser yang mengenai bagian tepi objek tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4 Ilustrasi sinar laser mengenai bagian tepi objek(Quintero, et al., 2008) 3. Ketidakpastian jarak Ketidak pastian jarak tersebut bergantung pada tipe pengukuran laser scanner yang digunakan. Untuk
pulse basedlaser scanner , ketidakpastian jarak
bergantung pada mekanisme perhitungan waktu tempuh yang akurat. Semakin teliti perbedaan waktu yang diukur, semakin kecil ketidakpastian jarak yang didapatkan. 4. Ketidakpastian secara angular Kebanyakan laser scanner termasuk yang digunakan dalam tugas akhir ini menggunakan cermin untuk memantulkan pulsa laser dari satu sumber ke arah target yang diinginkan. Ketelitian sudut yang direkam bergantung pada penempatan cermin pada posisi yang tepat dan instrumen yang digunakan untuk mengukur sudut cermin. Sedikit kesalahan yang terjadi pada pengukuran sudut cermin dapat menimbulkan kesalahan yang besar pada koordinat objek yang diukur dan akan semakin besar pula berbanding lurus dengan jarak pengukuran. Cara untuk mengatasi kesalahan ini hanya dengan melakukan kalibrasi oleh pabrikan pada instrumen yang akan digunakan. 12
2.1.2
Spesifikasi Leica Scanstation C-10
Dalam tugas akhir ini , alat yang dipakai adalah Leica Scanstation C10. Spesifikasi alat Leica Scanstation C10 dapat dilihat pada Tabel 2.1.Gambar Leica Scanstation C10 tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.5 Tabel 2.1 Spesifikasi Alat Leica Scanstation C10 (hds.leicageosystem.com) Sistem Laser Scanning Tipe Pulse Warna Hijau PanjangGelombang 532nm (green) Kelas Laser 3R Jangkauan 300m @ 90%; 134m @ 18% albedo Kecepatan Scanning up to 50000 titik/detik Resolusi Scanning Ukuran spot 0-50m:4.5mm (FWHH - based) 7mm (Gaussian - based) Pemilihan independen Space antar titik 1mm space minimum Contoh maksimum Density <1mm
Horizontal Vertikal Penembak Target Image Digital
Field of View 360° maksimum 270° maksimum optik kecil, sedang, tinggi satu 17°x17° gambar: 1920x1920 pixels (4 mega pixels) @settingresolusi tinggi Performa Dari Sistem
Akurasi untuk satu pengukuran Posisi Jarak Sudut (horizontal/vertikal)
6mm 4mm 60µrad/60µrad, 1 sigma
Model permukaan Presisi/noise Target Akusisi
2mm, 1 sigma 2mm std deviasi
13
Gambar 2.5 Gambar Leica Scanstation C10 (sumber:leica-geosystems.com) Pemodelan dengan menggunakan TLS ini melalui beberapa tahap. Tahapan-tahapan tersebut terdiri dari tahapan survey lokasi, tahapan perencanaan survey , tahapan pengambilan data, tahapan penggabungan data,tahapan georeferencing data dan tahapan pemodelan 3 dimensi data tersebut. Dari tahapan-tahapan tersebut, tahapan yang paling menentukan perencanaan survey sampai penggabungan data survey adalah tahapan penggabungan data survey. Maksud dari penggabungan data survey ini adalah menggabungkan beberapa hasil scan dari tempat berdiri alat yang berbeda sehingga menjadi satu kesatuan objek yang utuh.
Tahapan penggabungan data
tersebut sering juga disebut tahapan registrasi data. Metode registrasi data tersebut terdiri dari beberapa metode. Metode registrasi tersebut dijelaskan pada bagian 2.1.4 2.1.3
Metode registrasi data
Pengambilan data dengan laser scanner untuk objek tiga dimensi tidak mungkin dapat dilakukan hanya dengan satu kali pengambilan data, sehingga diperlukan teknik untuk menggabungkan data-data per satu kali pengambilan (yang selanjutnya akan disebutscanworld) kedalam sebuah data global yang dikenal dengan nama registrasi. Ada beberapa metode registrasi data points cloud yang biasa digunakan, teknik registrasi yang dipilih akan mempengaruhi teknik survey yang akan dilakukan nantinya sehingga harus dipilih dengan seksama berdasarkan kondisi objek dan area disekitar objek.(Pfeifer, 2007) 1. Target to target registration.
14
Metode registrasi target to target ini adalah metode registrasi yang umum digunakan .Target yang digunakan dalam metode ini adalah target yang mempunyai reflektivitas tinggi dan digunakan sebagai titik ikat dari kedua tempat berdiri alat . Target tersebut discan dua kali. Pemindaian pertama dilakukan untuk menentukan objek target dari daerah sekitarnya . Pemindaian pertama ini disebut coarse scan. Pemindaian kedua dilakukan untuk menentukan titik tengah dari target yang ada. Untuk menentukan titik tengah tersebut diperlukan pemindaian yang lebih akurat. Oleh karena itu pemindaian target yang kedua ini disebut dengan fine scan.
Gambar 2.6 Ilustrasi Metode Target to target registration (Pfeifer, 2007) Konsep registrasi ini menggunakan reseksi dan interseksi untuk menentukan tempat berdiri alat lainnya yang diilustrasikan pada Gambar 2.6. Target yang dibutuhkan minimal sebanyak 3 titik untuk memecahkan 6 parameter orientasi luar (roll, pitch ,yaw, translasi x, translasi y, dan translasi z) dari laser scanner dari satu tempat berdiri alat. Hasil dari metode registrasi target to target ini berupa gabungan point cloud dari beberapa tempat berdiri alat yang mempunyai system koordinat local. 2. Cloud to cloud registration Cloud to cloud registration ini menggunakan minimal 2 point cloud yang dimiliki dari kedua hasil scan. Konsep registrasi ini menggunakan metode Iterative Closest Point( ICP). Maksud dari konsep ini adalah mencari offset atau jarak terdekat secara berulang-ulang dari kedua titik yang terdekat antara kedua kumpulan point cloud.Ilustrasi dari metode ini dapat dilihat pada Gambar 2.7 . 15
Hasil dari metode ini berupa gabungan point cloud dari beberapa tempat berdiri alat yang mempunyai system koordinat local.
Gambar 2.7 Ilustrasi ICP (iterative cloud registration) (Pfeifer, 2007) 3. Traversing Metode registrasi traversing adalah metode poligon. Jenis metode poligon yang digunakan adalah metode poligon tertutup. Poligon tertutup yang dimaksud adalah koordinat awal sama dengan koordinat akhir. Metode poligon tersebut membutuhkan tiga titik acuan dalam satu kali berdiri alat. Titik acuan dibelakang sebagai backsight ,titik acuan yang berada di depan sebagai foresight dan titik acuan berada di tempat berdiri alat. Metode registrasi ini termasuk jenis metode registrasi direct georeferencing.Ilustrasi dari proses traversing ini dapat dilihat pada Gambar 2.8
Gambar 2.8 Ilustrasi metode traversing( Sumber:leica.geosystem.com) Proses survey dengan traversing: 1. Berdirikan target pada titik yang sudah diketahui (reference point) 2. Berdirikan alat untuk memulai scan, scan target di titik referensi dan mulai proses scan untuk n, tandai tempat berdiri alat. 3. Pindahkan alat ke posisi n+1 dan scan target yang berada di n, setelah itu proses scan area dapat dimulai. 4. Ulangi langkah 2-3 sampai membentuk poligon tertutup pada reference point. 16
Secara umum TLS dibagi berdasarkan metode pengukurannya menjadi dua yaitu pulse based dan phase based TLS . Dari metode pengukuran tersebut terdapat beberapa kesalahan. Kesalahan yang terjadi dapat dari berasal dari alat atau dari lingkungan sekitar. Kesalahan yang didpatkan dari alat tersebut adalah perambatan sinar laser, menscan tepi objek ,ketidakpastian jarak dan ketidakpastian secara angular.
17
