AIRBORNE ALTIMETRIC LIDAR : APLIKASI DAN PERMASALAHAN
TUGAS AKHIR Karya Tulis Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar Sarjana
Oleh
Dipo Nawangsidi 15102026
PROGRAM STUDI TEKNIK GEODESI & GEOMATIKA
FAKULTAS ILMU DAN TEKNOLOGI KEBUMIAN
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2009
AIRBORNE ALTIMETRIC LIDAR : APLIKASI DAN PERMASALAHAN
ABSTRAK Airborne LIDAR adalah salah satu metode penentuan posisi 3 dimensi berbasiskan GPS, INS dan laser scanner, yang memanfaatkan wahana udara dalam pelaksanaan surveynya. Sistem airborne LIDAR menggunakan sinar laser sebagai sensor pengukuran jarak dari wahana udara hingga ke permukaan tanah dan objek-objek di sekitarnya. Sistem ini juga menggunakan Global Positioning System untuk penentuan posisi tiga dimensi wahana udara dari waktu ke waktu, serta Inertial Navigation System untuk menentukan oriantasi tiga dimensi wahana. Beberapa komponen dalam sistem LIDAR tersebut bekerja masingmasing tetapi terpadu sehingga menghasilkan data LIDAR. Hasil akhir dari survey airborne LIDAR adalah data titik-titik yang mempunyai nilai koordinat (X, Y, dan Z) pada sistem koordinat GPS (WGS 84), yang kemudian dapat diolah menjadi Digital Terrain Model (DTM). Berbagai bidang aplikasi dapat memanfaatkan data yang dihasilkan oleh sistem airborne LIDAR untuk menyelesaikan masalah yang dihadapi.
i
AIRBORNE ALTIMETRIC LIDAR : APPLICATION AND PROBLEMS
ABSTRACT Airborne LIDAR is one of many method for measuring 3-dimentional position base on GPS, INS, and laser scanner, and using airborne vehicle in the survey proccess. Airborne LIDAR system use laser for measuring the distance from airborne vehicle to earth and other objects. LIDAR System also using GPS for measure the 3 dimentional position and INS for determine the 3-dimentional orinetation of the airborne vehicle. All the component in LIDAR system works separately but in harmony to produce LIDAR data. The result of airborne LIDAR survey is 3 dimensional georeference-points that refers to GPS coordinate system ( WGS 84), and that points can be visualized as Digital Terrain Model (DTM). Many application can use this data for solving their problems.
ii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur pada Allah SWT atas segala rahmat dan karunia yang telah diberikan sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi Tugas Akhir ini. Penulisan skripsi ini dimaksudkan untuk memenuhi syarat kelulusan program sarjana di Departemen Geodesi dan Geomatika, Fakultas Ilmu dan Teknologi Kebumian, Institut Teknologi Bandung. Pada kesempatan ini, penulis ingin mengucapkan banyak terima kasih atas segala dorongan dan bantuan yang telah diberikan selama masa kuliah dan dalam proses pembuatan tugas akhir ini, kepada : 1. Nabi Muhammad SAW, yang telah memberikan panduan hidup pada umat manusia. 2. Prof. Dr. Hasanuddin Z, M.Sc. Abidin, selaku dosen pembimbing yang telah memberikan banyak ilmu selama masa perkuliahan di geodesi serta bimbingan selama penulis menyelesaikan tugas akhir. 3. Ir. Agus S. Soedomo, M.S. selaku wali akademik yang telah sangat sabar membimbing dan mengajarkan banyak hal pada penulis. 4. Dr. Ir. Wedyanto Kuntjoro, M.Sc. selaku mantan ketua program studi geodesi dan geomatika yang telah banyak memberikan bantuan, bimbingan, nasehat, dan ilmu pengetahuan pada penulis. 5. Dr. Eka Djunarsjah, selaku ketua program studi geodesi dan geomatika, atas perhatian dan banyak ilmu yang telah diberikan.
iii
6. Ir. Bambang Subekti, M.T, Ir. Kosasih Prijatna, M.Sc, Ir. Dina Aggreni Sarsito, M.T, serta Ir. Mipi A. Kusuma, selaku dosen penguji pada sidang tugas akhir. 7. Irwan Gumilar, S.T, M.Si, selaku ketua seminar tugas akhir. 8. Seluruh dosen geodesi yang telah memberikan banyak ilmu. Ir. M. Yamin, Ir. Sudarman, M.T, Ir. Andri Hernandi, M.T, Dr. Bambang Edhi Leksono, M.Sc, Ir. Didik Wihardi, M.S, Ir. Kurdinanto Sarah, M.S.P, Dr. S. Hendriatiningsih, M.S, Mas Rizki,`Dr. Bambang Setyadji, M.T, Heri Andres, S.T, M.T, Dr. Widyo Nugroho SULASDI, Dwi Wisayantono, M.T, Irdam Adil, M.T, Dr.rer.nat Poerbandono, Samsul Bachri, Ph.D,
Ketut Wikantika, M.Eng, Ph.D, Dr. Ir.
Bobby Santoso, M.Sc, Ir. Saptomo Handoro, M.Sc, Dr. Dudung M. Hakim, Dr. Ishak Hanafiah I, DEA dan dosen-dosen lainnya. 9. Seluruh pegawai di departemen Geodesi, tata usaha, perpustakaan, lab. pemetaan dasar, lab. hidrografi, lab. fotogrametri, lab. pertahanan, dan lab. geodesi. 10. Mama dan Papa atas segala kasih sayang, doa, didikan, pemberian dan kesabarannya yang amat sangat besar. 11. Ario dan Renata yang lucu, yang telah menjadi inspirasi hidup. 12. Friska atas dukungan, kesabaran, dan kasih sayangnya yang sangat besar. 13. Mba Bebi, Bella, dan Mas Adrian yang tidak pernah berhenti mengkhawatirkan penulis. 14. Keluarga besar Sosodoro, keluarga besar Susilo yang telah memberikan dorongan dan hiburan. 15. Oom Rivai, tante Wini, teh Mira, Rangga, aa Doni, Anya, dan Aska. Terima kasih atas bimbingan dan kesabarannya.
iv
16. Kumpulan orang aneh. Yayan, Opik dan Heikal sebagai dewan pembina. Ketua orang aneh, Ingga Febriansyah. Maskot orang aneh, Bimo Parikesit. Dan seluruh anggota orang aneh, Satyanugraha, Fuad Adrian, Wendi, Ichfan, Ici, Wahyu Permana, Wahyu Prabowo, Nikki Firman, Agus Irwansyah, Casimin, Hikmat, dan Ali Ammarullah. Serta orang-orang aneh lainnya, Ilham, Jambrong, Pandu, Bimo, Haryo, Aan, Rudi dan lainnya. Tetaplah jadi orang aneh, teman-teman! 17. Teman-teman 2001 di Geodesi, yang telah bersikap baik dan memberikan banyak bantuan. Fineza, Eko, Iqbal, Win. Rizkie, Ipan, Gingin, Camat, Opik, Puri, Ema, Miim, Yanu, Andika, Asep, Novi, Royger dan lainnya. 18. Teman-teman mahasiswa Geodesi. Indra, Arie, Fitri, Belfri, Yan, Aldien, Argali, Sunu, Denny, Mila, Revanza dan lainnya 19. Teman-teman BIGREDS Bandung, Dimas, Derry, mas Bambang, Vetri, Lucky, Soel, Andiko, Andreas, Golan, Angga, Boris, Nyong, Audia, Agus, Lukman, Erry, Didiet, Cius, Cunda, dan teman-teman lainnya. YNWA. 20. Pihak-pihak lainnya yang telah bantuan dan doa, yang tidak dapat ditulis satu persatu. Terima kasih banyak. Penulis juga memohon maaf jika dalam skripsi ini terdapat banyak kesalahan. Oleh karena itu, saran dan kritik akan penulis terima dengan tangan terbuka. Penulis berharap bahwa skripsi tugas akhir ini dapat berguna bagi pembacanya dan masyarakat luas. Bandung, Maret 2009
Penulis
v
DAFTAR ISI
Hal ABSTRAK..............................................................................................................
i
KATA PENGANTAR............................................................................................
ii
DAFTAR ISI...........................................................................................................
vi
DAFTAR TABEL...................................................................................................
v
DAFTAR GAMBAR..............................................................................................
vi
BAB I
PENDAHULUAN..........................................................................
1
1.1
Latar Belakang....................................................................
1
1.2
Tujuan Penelitian................................................................
3
1.3
Lingkup Pembahasan..........................................................
4
1.4
Metodologi dan Sistematika Penulisan...............................
4
BAB II
TINJAUAN MENGENAI GPS DALAM SISTEM AIRBORNE
7
LIDAR 2.1
Global Positioning System..................................................
7
2.2
Data Pengamatan GPS.........................................................
8
2.2.1
Pseudorange.............................................................
9
2.2.2
Gelombang Pembawa.............................................. 12
2.3
Penentuan Posisi dengan GPS............................................. 16
2.4
Kesalahan dan Bias Pengamatan GPS................................ 18 2.4.1
Kesalahan Ephemeris.............................................
2.4.2
Kesalahan Jam Satelit dan Jam Receiver................ 19
2.4.3
Bias Ionosfer........................................................... 20
2.4.4
Bias Troposfer........................................................
2.4.5
Efek Multipath........................................................ 22
2.4.6
Ambiguitas Fase...................................................... 23
2.4.7
Cycle Slip................................................................ 24
vi
18
21
2.5
BAB III
Penentuan Posisi Differensial Kinematik dengan Data Fase 25 2.5.1
Prinsip Penentuan Posisi......................................... 25
2.5.2
Ketelitian dan Faktor-faktor yang mempengaruhi... 26
2.5.3
On-The-Fly Ambiguity Resolution......................... 26
2.5.4
Deviasi Spasial dan Temporal................................ 30
TINJAUAN MENGENAI INERTIAL NAVIGATION SYSTEM 32 3.1
Pergerakan Rotasi Wahana Terbang..................................
32
3.1.1
Roll........................................................................
33
3.1.2
Pitch.......................................................................
33
3.1.3
Heading..................................................................
33
Inertial Navigation System................................................
34
3.2.1
Inertial Measurement Unit.....................................
35
3.2.1.1 Accellerometer...........................................
35
3.2.1.2 Gyroscope..................................................
36
Navigation Processor.............................................
37
3.3
Ketelitian Inertial Navigation System...............................
38
3.4
INS untuk Airborne LIDAR System.................................
38
TINJAUAN MENGENAI SENSOR LASER...............................
41
4.1
Laser..................................................................................
41
4.2
Spektrum Gelombang Elektromagnetis.............................
42
4.3
Sensor Laser.......................................................................
44
4.4
Sensor Laser pada Airborne LIDAR.................................
45
4.5
Multiple Return.................................................................
47
4.6
Faktor-faktor yang mempengaruhi kekuatan sistem laser
48
3.2
3.2.2
BAB IV
LIDAR 4.7
Prinsip Scanning Sensor Laser pada Airborne LIDAR....... 48
4.8
Metode Pemetaan dengan Menggunakan Sensor Lain pada 50
Wahana Terbang
vii
BAB V
BAB VI
TINJAUAN MENGENAI DATA AIRBORNE LIDAR..............
43
5.1
Data Airborne LIDAR.......................................................
43
6.1.1
Data GPS...............................................................
43
6.1.2
Data INS................................................................
43
6.1.3
Laser Scanner........................................................
43
5.2
Pengolahan Data LIDAR..................................................
45
5.3
Georeferensi Data LIDAR................................................
47
5.4
Digital Terrain Model.......................................................
50
TINJAUAN MENGENAI APLIKASI AIRBORNE LIDAR........ 6.1
6.2
63
Prosedur Pelaksanaan Survey Airborne LIDAR................. 63 6.1.1
Survey Pendahuluan................................................ 63
6.1.2
Titik Kontrol Tanah................................................. 64
6.1.3
Pola Scanning Airborne LIDAR............................. 65
6.1.4
Pengumpulan Data Airborne LIDAR...................... 65
6.1.5
Proses Pengumpulan Data Airborne LIDAR.......... 66
Aplikasi dari Sistem Airborne LIDAR............................
67
6.2.1
68
Manajemen gangguan ruang udara pada lapangan terbang
6.2.2
Perencanaan dan pemeliharaan jalan bebas
71
hambatan 6.2.3
Deteksi potensi kebocoran pipa gas cair................
73
6.2.4
Mitigasi bencana banjir..........................................
75
6.2.5
Mitigasi bencana tanah longsor.............................
77
6.2.6
Pemodelan Perkotaan.............................................
78
6.2.7
Pemetaan Daerah Basah dan Daerah yang
79
Berbahaya 6.2.8
BAB VII
Pengukuran Tinggi Vegetasi.................................
81
ANALISIS....................................................................................
83
7.1
83
Analisis Komponen Airborne LIDAR..............................
viii
7.1.1
Analisis Global Positioning System......................
84
7.1.2
Analisis Inertial Navigation System.....................
85
7.1.3
Analisis Laser Scanner..........................................
86
7.3
Analisis Data Airborne LIDAR........................................
87
7.2
Analisis Aplikasi Airborne LIDAR..................................
87
7.4
Analisis Ekonomi Sistem Airborne LIDAR.....................
88
7.5
Analisis Kelemahan Sistem Airborne LIDAR.................
89
KESIMPULAN DAN SARAN....................................................
90
8.1
Kesimpulan.......................................................................
90
8.2
Saran..................................................................................
92
DAFTAR PUSTAKA...........................................................................................
93
BAB VIII
ix
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Ketelitian data yang dihasilkan INS......................................................
38
Tabel 3.2 Spesifikasi keakurasian INS RT4000....................................................
39
Tabel 3.3 Spesifikasi keakurasian INS iNAV-RGH-0018....................................
40
Tabel 4.1 Spesifikasi Laser Scanner Airborne LIDAR.........................................
46
Tabel 6.1 Aplikasi dari Airborne LIDAR..............................................................
67
Tabel 7.1 Ketelitian data yang dihasilkan INS....................................................... 85
x
DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1
Skema komponen Airborne LIDAR................................................. 2
Gambar 1.2
Skema Metodologi Penelitian........................................................... 4
Gambar 2.1
Tiga Segmen GPS............................................................................. 8
Gambar 2.2
Prinsip Penentuan Jarak Pseudorange............................................... 10
Gambar 2.3
Penentuan Jarak dari Pengamat ke Satelit dengan Data Fase........... 13
Gambar 2.4
Interpretasi Geometrik Jarak Fase.................................................... 15
Gambar 2.5
Metode Penentuan Posisi dengan GPS............................................. 17
Gambar 2.6
Spektrum ketelitian posisi GPS........................................................ 17
Gambar 2.7
Efek Multipath.................................................................................. 22
Gambar 2.8
Strategi Umum Penentuan Ambiguitas Fase secara On-the-fly........ 27
Gambar 2.9
Deviasi Spasial antara Antena GPS dan Laser Scanner................... 31
Gambar 2.10 Deviasi Temporal antara GPS, INS dan Laser Scanner................... 31 Gambar 3.1
Pergerakan Rotasi Wahana............................................................... 32
Gambar 3.2.
Inertial Navigation System............................................................. 34
Gambar 3.3
Accellerometer................................................................................. 36
Gambar 3.4
Gyroscope........................................................................................ 37
Gambar 3.5
INS OXTS RT4000......................................................................... 39
Gambar 3.6
INS iNAV-RQH-0018..................................................................... 40
Gambar 3.7
High Accuracy INS Northop Grumman.......................................... 40
Gambar 4.1
Gelombang....................................................................................... 42
Gambar 4.2
Spektrum Gelombang Elektromagnetik........................................... 44
Gambar 4.3
Visible Light.................................................................................... 44
Gambar 4.4
Prinsip Kerja LIDAR...................................................................... 45
Gambar 4.5
Sensor LIDAR yang Menghasilkan Lebih dari Satu Pantulan....... 47
Gambar 4.6
Prinsip scanning sensor laser.......................................................... 49
Gambar 5.1
Kepadatan data LIDAR..................................................................
Gambar 5.2
Bagan pengolahan data airborne LIDAR........................................ 55
Gambar 5.3
Plot jalur Terbang Wahana yang Dihasilkan dari Pengolahan Data 56 GPS
xi
53
Gambar 5.4
Raw LIDAR Data............................................................................ 56
Gambar 5.5
Digital Terrain Model...................................................................... 61
Gambar 6.1
Skema Kontrol Kaliberasi pada Area Airport ................................ 66
Gambar 6.2
Permukaan Imajiner di Atas Lapangan Udara................................... 69
Gambar 6.3
Permukaan Imajiner......................................................................... 69
Gambar 6.4
DTM dari Lapangan Terbang Jackson, Mississipi, Amerika Serikat 70
Gambar 6.5
Lapangan Terbang di Kota Bandung yang terletak di kawasan ....... 71 padat
Gambar 6.6
Peta Kontur Hasil survey LIDAR untuk Perencanaan Jalan Bebas 72 Hambatan di Amerika Serikat
Gambar 6.7
Jalur Pipa Gas dan Jalur Terbang Survey LIDAR........................... 74
Gambar 6.8
Data LIDAR pada Jalur Survey....................................................... 75
Gambar 6.9
Potensi Kebocoran pada Jalur Pipa Gas.......................................... 75
Gambar 6.10 Pemodelan Bencana Banjir.............................................................. 76 Gambar 6.11 Pemodelan dari Perkiraan Tanah Longsor....................................... 78 Gambar 6.12 Overlay data LIDAR dengan Citra & Hasil Ekstraksi Bangunan
79
dari Data LIDAR Gambar 6.13 Visualisasi 3-Dimensi Bangunan Buatan Manusia......................... 79 Gambar 6.14 Daerah Rawa dengan Tutupan Vegetasi yang Rapat...................... 80 Gambar 6.15 Raw LIDAR Data untuk objek Berupa Pohon...............................
81
Gambar 6.16 Pengukuran Terestris Vegetasi....................................................... 81 Gambar 6.17 Perbandingan Ketelitian Vertikal dari Dua Jenis Vegetasi,
82
serta Antara Survey Airborne LIDAR dan Survey Terestris Gambar 6.18 Ketelitian Horisontal Survey Airborne LIDAR berdasarkan jenis vegetasi.
xii
82
