41
BAB IV TINJAUAN MENGENAI SENSOR LASER
4.1
Laser
Laser atau sinar laser adalah singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, yang berarti suatu berkas sinar yang diperkuat dengan cara merangsang pembentukan pancaran (emisi) dan radiasi.
Sinar laser dibandingkan dengan berkas sinar biasa mempunyai beberapa perbedaan penting, antara lain : 1. Laser mempunyai sifat terkolimasi yang sangat tinggi. Artinya berkas sinar laser mempunyai sudut pancaran yang sangat kecil sehingga dapat diarahkan pada arah tertentu dalam bentuk berkas sinar yang sempit untuk jarak yang cukup jauh. 2. Laser memiliki intensitas yang sangat tinggi, artinya daya per satuan luas dalam berkas sinar laser sangat tinggi. Sebagai contoh, suatu berkas langsung sinar laser sebesar 0,0006 Watt mempunyai intensitas yang lebih tinggi dibandingkan dengan lampu dengan daya sebesar 100 Watt. (Pitono, 1981). 3. Sinar
laser
merupakan
gelombang
monokromatik.
Artinya
sinar
laser
memancarkan sinar atau cahaya dari satu panjang gelombang saja. 4. Sinar laser mempunyai sifat koheren, yaitu sifat yang menyatakan bahwa jika dua buha berkas sinar laser berinterferensi maka beda fasa dari kedua sinar laser tersebut konstan walaupun fasa masing-masing sinar dapat berubah. Sifat koheren
42 ini berhubungan dengan daya yang dihasilkan sinar laser dan kemampuan untuk membuat berkas sinar yang sangat kecil.
4.2
Spektrum Gelombang Elektromagnetis
Gelombang pada dasarnya hanyalah suatu cara perpindahan energi dari satu tempat ke tempat.Contoh sederhananya dapat kita lihat pada gelombang air. Ketika gelombang merambat pada permukaan air, yang melakukan perpindahan adalah energinya saja, sedangkan molekul-molekul air hanya melakukan gerak melingkar di sekitar kedudukan mulanya. Energi dipindahkan melalui pergerakan lokal yang relatif kecil pada lingkungan sekitarnya.
Sedangkan energi pada sinar berjalan karena perubahan lokal yang fluktuatif pada medan listrik dan medan magnet, oleh karena itu disebut radiasi elektromagnetik. Gambar 4.1 memberikan ilustrasi mengenai suatu berkas sinar yang memiliki
bentuk seperti
gelombang.
Gambar 4.1 Gelombang
Setiap gelombang mempunyai satu puncak dan satu lembah, di mana jarak antara dua puncak atau dua lembah dapat disebut sebagai panjang gelombang (wavelength, λ). Banyaknya puncak yang merambat melewati satu titik disebut dengan frekuensi
43 gelombang (υ), di mana frekuensi diukur dengan satuan putaran per detik atau Hertz (Hz). Berikut adalah hubungan antara panjang gelombang dan frekuensi.
c=λυ
(4.1)
di mana: c
= kecepatan cahaya
υ
= frekuensi
λ
= panjang gelombang
Dari hubungan di atas dapat terlihat bahwa semakin besar panjang gelombang, maka semakin kecil frekuensinya, demikian pula sebaliknya. Setiap frekuensi mempunyai hubungan dengan energi :
E=hυ
(4.2)
di mana: E
= energi cahaya
h
= konstanta planck
υ
= frekuensi
Dalam spektrum gelombang elektromagnetik dikenal beberapa jenis gelombang seperti xray, ultraviolet, cahaya tampak, infra merah, microwave, dan gelombang radio. Gambar 4.2 menunjukkan pembagian spektrum gelombang elektromagnetik berdasarkan panjang gelombang dan frekuensinya.
44
Gambar 4.2 Spektrum Gelombang Elektromagnetik
Dalam spektrum gelombang elektromagnetik, cahaya tampak (visible light) terletak di antara ultraviolet dan inframerah, dengan panjang gelombang berkisar 380 hingga 740 ηm, seperti yang ditunjukkan gamabr 4.3.
Gambar 4.3 Visible Light
4.3
Sensor Laser
Lidar adalah sistem pengideraan dengan memanfaatkan sinar laser. Prinsip kerjanya adalah dengan menghitung jarak berdasarkan informasi selang waktu yang dibutuhkan sinar laser menempuh perjalanan dari pemancar, memantul pada objek hingga kembali pada receiver.
45
SINAR LASER Lama waktu tempuh (t) SCANNER /RECEIVER
OBJEK
d d = t/2 x kecepatan cahaya Gambar 4.4 Prinsip kerja LIDAR
Sistem LIDAR terdiri dari beberapa komponen seperti : 1.
Sinar laser, umumnya digunakan spektrum ultraviolet, near-infrared, serta cahaya tampak (visible light).
2.
Scanner dan alat optik, yaitu alat untuk menembakkan sinar laser serta alat optik untuk membagi arah tembak sinar laser.
3.
Receiver, yaitu alat untuk menerima sinar laser yang ditembakkan oleh scanner.
4.4
Sensor Laser pada Airborne LIDAR
Airborne LIDAR adalah suatu metode pemetaan dengan menggunakan sensor LIDAR pada wahana terbang, umumnya pesawat terbang atau helikopter. Sensor LIDAR menembakkan sinar laser dari wahana terbang ke arah permukaan bumi dengan sudut pancaran tertentu, sehingga didapatkan informasi jarak antara wahana terbang dengan permukaan bumi. Jika posisi wahana terbang dapat diketahui dengan GPS dan INS, serta jarak antara wahana terbang dan permukaan bumi dapat diketahui dengan sensor LIDAR, maka titik-titik di permukaan bumi dapat diketahui posisinya. Karateristik dari sistem LIDAR dapat dilihat pada tabel di bawah ini.
46 Tabel 4.1 Spesifikasi Laser Scanner Airborne LIDAR Spesification
Typical Value
Wavelength
1.064 μm
Pulse Repetition Rate
5 – 33 kHz (50 kHz max)
Pulse Energy
100s μJ
Pulse Width
10 ns
Beam Divergence
0.25 – 2 mrad
Scan Angle (Full Angle)
40° (75° max)
Scan Rate
25 – 40 Hz
Scan Pattern
zig-zag, parallel, elliptical, sinusoidal
GPS Frequency
1 – 2 times per second
INS Frequency
50 (200 max)
Operating Altitude
100 – 1000 m (6000 m max)
Footprint
0.25 – 2 m (from 1000 m)
Multiple Elevation Capture
1–5
Grid Spacing
0.5 – 2 m
Vertical Error
15+ cm
Horizontal Error
10 – 100 cm
Sumber : Fowler, 2001
Airborne LIDAR dapat dibedakan menjadi dua berdasarkan spektrum sinar yang digunakan, yaitu :
1. Airborne tophographic LIDAR, yang menggunakan spektrum sinar nearinfrared, untuk memetakan permukaan bumi yang tidak tertutupi dengan air. 2. Airborne LIDAR bathymetry, yang menggunakan spektrum sinar biru/hijau, untuk mengukur kedalaman perairan hingga 50 meter.
47 Berkas sinar Spektrum sinar biru atau hijau dapat merambat pada badan air dengan baik hingga kedalaman 30 hingga 40 meter, sehingga sangat cocok untuk mengukur kedalaman perairan dangkal. Sedangkan berkas sinar spektrum infra merah sebagian besar dipantulkan pada permukaan air. Sehingga jika sistem airborne LIDAR menembakkan berkas sinar laser infra merah dan sinar biru/hijau secara serentak, dapat diketahui informasi kedalaman pada suatu perairan.
4.5
Multiple Return
Keunggulan utama dari sistem Airborne LIDAR adalah kemampuan untuk melakukan pengukuran multiple return (multi pantulan) dari setiap pulsa yang dipancarkan, sehingga sistem ini dapat memetakan tutupan lahan suatu daerah mulai dari yang paling atas hingga permukaan bumi. Banyaknya pantulan yang dapat dideteksi oleh sistem airborne LIDAR adalah dua hingga lima pantulan. Gambar 4.5 menunjukkan kemampuan sistem airborne LIDAR melakukan pengukuran multiple return.
PANTULAN PERTAMA
PANTULAN KEDUA
Gambar 4.5 Sensor LIDAR yang menghasilkan lebih dari satu pantulan [www.airbornelasermapping.com]
48 4.6
Faktor-faktor yang mempengaruhi kekuatan laser pada LIDAR
Kemampuan penetrasi sinar laser pada sistem LIDAR sangat bergantung pada medium yang dilewatinya, apakah itu udara, tutupan lahan permukaan bumi, maupun dasar perairan. Beberapa faktor yang mempengaruhi kekuatan pulsa LIDAR adalah: 1. Kondisi cuaca di bawah wahana udara seperti adanya asap, kabut, dan hujan. 2. Komposisi vegetasi dan objek-objek pada permukaan bumi yang mempengaruhi reflektifitas dan kemampuan penetrasi. 3. Background noise yaitu efek pantulan sinar matahari. Sedangkan faktor-faktor lainnya pada sistem airborne LIDAR juga berpengaruh terhadap data yang dihasilkan, antara lain: − Besar sudut scanning − Panjang gelombang sinar laser − Karakteristik receiver yang digunakan − Banyaknya gelombang sinar laser yang dipancarkan − Tinggi terbang wahana udara.
4.7
Prinsip Scanning Sensor Laser pada Airborne LIDAR
Sistem airborne LIDAR mengunakan pancaran berkas sinar laser yang mempunyai kecepatan rambat 299.792,458 km per detik atau dapat dibulatkan menjadi 300.000 km per detik. Dengan jarak pengukuran dari sensor laser ke permukaan tanah yang maksimal hanya berjarak 6 km, maka satu berkas sinar laser akan menempuh jarak sekitar 12 km mulai dari transmitter hingga kembali lagi ke receiver. Jarak 12 km itu dapat ditempuh dalam waktu 4 x 10-5 detik.
49 Sementara kemampuan sensor laser untuk memancarkan sinar laser adalah 5000 hingga 50.000 pancaran per detiknya, atau dapat menembakkan satu berkas sinar laser dalam 2 x 10-4 detik hingga 2 x 10-5 detik.
Berkas sinar laser ditembakkan secara beruntun dan diarahkan sesuai dengan pola scan melalui cermin yang dapat bergerak seperti yang ditunjukkan gambar 4.6. Cermin berputar untuk memantulkan berkas sinar laser agar merambat sesuai dengan jalur sapuan. Sudut yang dibentuk dari sapuan sinar laser ini berkisar antara 20° hingga 75°.
Gambar 4.6 Prinsip scanning sensor laser. Transmitter menembakkan laser (1) diarahkan oleh cermin yang bergerak (3) ke arah sudut scan yang diinginkan (2). [Hvidegaard, 2006]
Sensor laser tidak akan salah mengidentifikasi sinar laser yang masuk pada receiver, jika waktu tempuh berkas sinar lebih cepat dari sela waktu antara penembakkan dua berkas yang berurutan, di mana sela waktu ini bergantung pada banyaknya berkas sinar yang ditembakkan setiap detiknya.
50 4.8
Metode Pemetaan dengan Menggunakan Sensor Lain pada Wahana Terbang
Selain airborne LIDAR, terdapat beberapa metode pemetaan lainnya yang memanfaatkan wahana terbang tetapi menggunakan sensor yang berbeda seperti Fotogrametri dan IFSAR. Dibandingkan dengan kedua metode tersebut, airborne LIDAR mempunyai beberapa keunggulan yaitu :
a.
Airborne LIDAR vs Fotogrametri Airborne LIDAR menggunakan sumber energi aktif sedangkan sumber energi fotogrametri bersifat pasif yaitu sinar matarahi sehingga sangat bergantung pada waktu, keadaan cuaca, dan arah sinar matahari. Dan sistem Airborne LIDAR mampu memetakan satu hingga lima layer tutupan lahan, sedangkan fotogrametri hanya dapat memetakan satu layer paling atas dari tutupan lahan.
b.
Airborne LIDAR vs IFSAR Secara umum, ketelitian posisi titik yang dihasilkan oleh airborne LIDAR lebih tinggi daripada yang dihasilkan IFSAR., dan mampu menghasilkan data multilayer berbanding dengan satu layer. Tetapi sistem IFSAR dapat dioperasikan pada elevasi yang lebih tinggi sehingga mampu mencakup daerah yang lebih luas pada satu rentang waktu.
