1
I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Awan berpengaruh terhadap terhadap keseimbangan energi di atmosfer melalui proses penyerapan, pemantulan, dan pemancaran energi matahari. Awan memiliki ciri tertentu sesuai dengan bentuk dan ketinggiannya. Selain itu, seperti jenis penutupan permukaan yang lain, awan juga memiliki nilai albedo dan suhu permukaan. Ketika awan menerima energi yang dipancarkan surya maka energi tersebut akan dipantulkan dan diteruskan oleh awan. Perbandingan jumlah radiasi yang dipantulkan dan diteruskan akan mempengaruhi nilai albedo. Selain itu, suhu permukaan dapat menjadi indikator dalam pemisahan daerah yang tertutup awan dan bebas awan. Salah satu aplikasi penginderaan jauh di bidang meteorologi yaitu pemantauan pergerakan awan dan pola sebarannya. Pemanfaatan dengan teknologi ini memiliki kemampun deteksi yang tidak terbatas ruang dan waktu. Suhu permukaan dan albedo adalah identifikasi pertama yang diturunkan dari data citra satelit, dalam penelitian ini yaitu citra satelit MODIS, dengan menggunakan kisaran panjang gelombang tertentu. Pola sebaran awan dapat dilihat dengan menggunakan informasi reflektan menggunakan kisaran panjang gelombang tampak dan kanal inframerah dapat mengindikasikan suhu permukaan. Proses klasifikasi awan dengan memanfaatkan satelit penginderaan jauh dapat dilakukan dengan menggunakan pendekatan albedo dan suhu permukaan yang dapat diekstrak dari data satelit. Namun, sebelum melakukan klasifikasi dengan dua pendekatan tersebut perlu ditinjau dahulu hubungan antara kanal-kanal yang digunakan. Jika hubungan diantara kanal-kanal tersebut positif maka proses klasifikasi awan dapat dilakukan. 1.2 Tujuan Penilitian ini dilakukan untuk : a. melakukan analisis terhadap nilai albedo dan suhu permukaan yang diturunkan dari data Terra MODIS L1B. b. membuat klasifikasi awan berdasarkan suhu permukaan dan albedo.
II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Suhu Permukaan Suhu permukaan dapat didefinisikan sebagai suhu bagian terluar dari suatu objek. Suhu permukaan benda tergantung dari sifat fisik
permukaan objek, diantaranya yaitu emisivitas, kapasitas panas jenis, dan konduktivitas termal. Jika suatu objek memiliki emisivitas dan kapasitas panas jenis yang tinggi, sedangkan konduktivitas termalnya rendah maka suhu permukaan objek tersebut akan menurun, contohnya pada permukaan berupa perairan. Sedangkan jika suatu objek memiliki emisivitas dan kapasitas panas jenis yang rendah sedangkan konduktivitas termalnya tinggi maka suhu permukaan objek tersebut akan meningkat, contohnya pada permukaan berupa daratan (Sutanto 1994). Suhu permukaan diperoleh dari suhu kecerahan yang diturunkan dari persamaan Planck. Suhu permukaan dengan mudah dapat diidentifikasi dengan memakai asumsi emisivitas sama dengan satu dimana sifat tersebut dimiliki oleh benda hitam. Benda hitam adalah objek yang menyerap seluruh radiasi elektromagnetik, kemudian menurut teori fisika klasik, objek tersebut juga haruslah memancarkan energi yang diserapnya. Oleh karena itu energi suatu benda dapat diukur. Suhu permukaan merupakan unsur pertama yang dapat diidentifikasi dari citra satelit termal. Suhu permukaan dapat didefinisikan sebagai suhu permukaan rata-rata dari suatu permukaan yang digambarkan dalam satuan piksel dengan berbagai tipe permukaan. Besarnya suhu permukaan dipengaruhi oleh panjang gelombang. Panjang gelombang yang paling sensitif terhadap suhu permukaan adalah inframerah thermal. Oleh karena itu, kanal thermal dari suatu satelit berfungsi untuk mencari suhu permukaan objek di permukaan.
2.2 Albedo Albedo berasal dari bahasa Latin yaitu albus yang berarti putih. Albedo yaitu perbandingan antara radiasi gelombang pendek yang dipantulkan dengan yang datang dari semua spektrum panjang gelombang. Formula albedo dapat ditulis sebagai berikut : α=
.................................(1)
dimana, α: albedo Rs : Radiasi gelombang pendek yang dipantulkan Rs : Radiasi gelombang pendek yang datang Albedo menunjukkan sifat kehitaman badan objek. Albedo mempunyai kisaran nilai 0-1. Bila suatu objek mempunyai nilai albedo = 0 maka objek tersebut mengabsorbsi seluruh radiasi
2
gelombang pendek yang datang dan albedo =1 maka objek tersebut memantulkan seluruh radiasi gelombang pendek yang datang. Namun, tidak ada satu pun benda di alam semesta yang memiliki albedo bernilai 0 atau 1, yang ada hanya mendekati 0 dan 1. Semakin mendekati nilai nol maka kenampakan suatu objek semakin gelap dan semakin mendekati nilai satu maka kenampakan suatu objek semakin cerah.
Tabel 2 Albedo pada beberapa jenis awan Albedo
Jenis Awan
0.2 - 0.4
Cirrus (Ci)
0.4 - 0.5 Stratus (St) 0.7 - 0.95 Awan Tebal (Sumber: Gordeau 2004 dan Stull 2000)
Gambar 1 Respon radiasi gelombang pendek dan gelombang panjang pada : (i) awan tinggi; (ii) awan rendah (Sumber : NASA 2010)
2.3 Penginderaan Jauh untuk Identifikasi Awan 2.3.1 Penginderaan Jauh Penginderaan jauh adalah suatu ilmu dan seni untuk memperoleh informasi tentang suatu objek, daerah, atau fenomena melalui analisis data yang diperoleh dengan suatu alat tanpa kontak langsung dengan objek, daerah, atau fenomena yang dikaji (Lillesand dan Kiefer 1994). Pengumpulan data penginderaan jauh dilakukan dengan menggunakan alat pengindera atau alat pengumpul data yang disebut sensor. Data penginderaan jauh dapat berupa citra, grafik, dan data numerik. Konsep dasar penginderaan jauh terdiri atas beberapa elemen atau komponen yang meliputi sumber tenaga, atmosfer, interaksi tenaga dengan objek di permukaan bumi, sensor, sistem pengolahan data, dan berbagai penggunaan data (Purwadhi, 2001). Sistem penginderaan jauh aktif memerlukan energi yang berasal dari sumber energi alamiah (matahari) maupun sumber energi buatan. Energi penginderaan jauh menggunakan proses radiasi dalam perpindahan energi dari objek menuju sensor satelit. Sensor yang digunakan merupakan sensor elektronik yang dapat membangkitkan sinyal elektronik yang sesuai dengan variasi energi elektromagnetik.
Gambar diatas menjelaskan bahwa saat radiasi gelombang pendek mengenai objek tersebut maka awan tinggi lebih banyak meneruskan radiasi gelombang pendek (garis panah berwarna merah) daripada memantulkannya. Sebaliknya, pada awan rendah akan lebih banyak memantulkan radiasi gelombang pendek yang datang dibandingkan meneruskannya. Oleh karena itu, albedo awan tinggi lebih kecil dibandingkan awan rendah. Nilai albedo pada beberapa jenis awan dapat dilihat pada Tabel 2. Selain rentang nilai pada tabel di atas, menurut Tsay S et all (1988) awan juga memiliki nilai albedo 0.5 sampai 0.7. Selain itu menurut Conover (1965) dalam Kondratyev (1972) albedo rata-rata pada awan Cumulonimbus tebal dan besar yaitu sebesar 92 %, Cumulus dan Stratocumulus di atas daratan 69 %.
2.3.2 Gelombang Elektromagnetik Energi yang dipancarkan maupun dipantulkan oleh objek yang direkam oleh sensor satelit merupakan energi elektromagnetik atau gelombang elektromagnetik. Gelombang elektromagnetik adalah gelombang atau partikel yang merambat tanpa melalui medium, dapat merambat dalam ruang hampa. Gelombang elektromagnetik terdiri dari beberapa spektrum mulai dari gelombang pendek sampai gelombang panjang. Spektrum-spektrum tersebut yaitu Sinar kosmis, Sinar Gamma, X, Ultraviolet, Tampak, Inframerah, Gelombang mikro, dan Gelombang radio. Gelombang elektromagnetik bergerak secara harmonis berbentuk sinusiodal pada suatu kecepatan cahaya, digambarkan dengan persamaan berikut :
Tabel
1
Albedo pada permukaan
bermacam-macam
Albedo (%) Jenis Permukaan 5 – 20 Perairan dalam 6–8 Tanah abu-abu lembab 16 – 18 Tanah terang kering 9 Bangunan 10 – 23 Tanaman (Sumber : Stull 2000) Awan memiliki albedo yang beragam tergantung banyaknya radiasi gelombang pendek yang dipantulkan dan diteruskan.
(i)
(ii)
3
c = f. λ ..................................(2) dimana, c : kecepatan cahaya (3 x 108 m/detik) f : frekuensi gelombang (Hz) λ : panjang gelombang (m) Penginderaan jauh yang menggunakan radiasi tampak hanya dapat digunakan pada waktu radiasi tampak matahari tersedia, yaitu pada siang hari. Untuk identifikasi awan, penginderaan jauh ini akan menunjukkan besarnya reflektivitas awan yang dapat dilihat dari kecerahan warnanya. Awan yang mempunyai reflektivitas besar akan terlihat lebih cerah sedangkan awan yang mempunyai reflektivitas kecil terlihat lebih gelap. Cumulus atau cumulonimbus yang mempunyai reflektivitas lebih besar, kelihatan lebih cerah atau lebih putih daripada altostratus atau cirrus yang reflektivitasnya lebih rendah (Prawirowardoyo 1996). Sedangkan radiasi inframerah tidak dapat dideteksi oleh mata manusia tetapi dapat dideteksi secara fotografis. 2.3.3 Koreksi Bowtie Citra MODIS Data mentah pada citra MODIS pada barisbaris tertentu terdapat kerusakan citra berupa duplikasi baris di bagian tertentu. Hal ini terjadi karena pada perangkat satelit terdapat peningkatan Instantaneous Field Of View (IFOV) dari 1x1 km pada titik terendah (nadir) menjadi hampir mendekati 2x5 km pada sudut scan maksimum yaitu 55o. Pengaruh bowtie terjadi ketika sensor pemandaian mencapai sudut 15o, besar sudut semakin meningkat akan menyebabkan semakin jelas efeknya (Wen 2008). Untuk memperbaiki kerusakan tersebut perlu dilakukan koreksi radiometrik untuk menghilangkan efek tersebut. Selanjutnya seluruh data pada citra asli akan ditransformasikan secara matematik ke citra akhir atau resampling. Dalam hal ini dibentuk piksel baru sebagai perbaikan pada piksel lama yang mengalami kerusakan yaitu dengan teknik “tetangga terdekat” (nearest neighbour). Teknik ini dilakukan dengan cara mengalihkan titik keabuan piksel yang telah terkoreksi dengan harga keabuan piksel tetangganya pada citra semula.
Gambar
2
Morfologi efek bowtie (Sumber : Maier et all 2004)
Hal ini ditunjukkan oleh Gambar 2 bahwa data diperngaruhi oleh efek bowtie menempati sebagian dari gambar. Oleh karena itu, efek bowtie harus dihapus sebelum aplikasi data MODIS dikeluarkan. Scan pertama dan ketiga diwakili oleh kisi yang cerah sedangkan scan kedua diwakili oleh kisi yang hitam (Wen 2008). 2.3.4 Hukum-Hukum tentang Radiasi Sifat radiasi elektromagnetik mudah diuraikan dengan menggunakan teori gelombang namun lebih mudah diuraikan dengan menggunakan partikel karena interaksinya dengan objek dapat mudah diterangkan. Hukum Planck memberikan dasar mengenai sifat dualisme energi radiasi yaitu sebagai kuanta dan gelombang elektromagnetik. Teori yang menyatakan radiasi eletromagnetik terdiri atas beberapa bagian terpisah disebut teori kuantum atau foton. Besarnya energi dalam satu partikel tergantung pada frekuensi dan panjang gelombang radiasinya, sesuai dengan persamaan : E = h. f .................................(3) dimana, E : energi kuantum (J) h : tetapan Planck (6.626x10-34 J/s) f : frekuensi (Hz) Apabila persamaan di atas digabungkan dengan persamaan gelombang maka menjadi : E=
................................(4)
Berdasarkan persamaan di atas maka energi kuantum berbanding terbalik dengan panjang gelombang. Semakin panjang panjang gelombang maka semakin rendah tenaga kuantumnya dan sebaliknya. Semua benda di permukaan bumi merupakan sumber radiasi walaupun besar dan komposisi spektralnya berbeda dengan radiasi matahari. Oleh karena itu semua benda pada suhu nol derajat memancarkan radiasi elektromagnetik
4
secara terus menerus. Besarnya energi radiasi suatu objek di permukaan bumi merupakan fungsi suhu permukaan objek tersebut, seperti yang ditunjukkan oleh Hukum Stefan Boltzman yaitu : W = σ T4 ..............................(5) dimana, W : jumlah tenaga yang dipancarkan oleh permukaan objek setiap detik per satuan luas (W/m2) σ: tetapan Stefan Boltzman (5.56697 x 10-8 W/m2K4) T: suhu absolut objek (K) Hukum ini berlaku untuk sumber energi sebagai benda hitam sempurna (black body) yaitu benda yang akan menyerap tenaga yang diterimanya dari segala sudut penerimaan dan memancarkannya kembali ke segala arah dengan seluruh panjang gelombang yang ada. Fakta di alam, hampir semua benda tidak memiliki sifat seperti benda hitam sempurna yang ada hanya mendekati sifat tersebut. Oleh karena itu setiap energi yang dipancarkan suatu objek di permukaan bumi tidak tergantung pada suhu absolutnya, tetapi tergantung pada daya pancarnya sehingga jumlah energi yang dipancarkan merupakan fungsi suhu dan akan meningkat dengan adanya peningkatan suhu. Hal ini menyebabkan jumlah energi yang dipancarkan suatu objek bervariasi dengan suhunya dan didasarkan pada panjang gelombangnya.
Gambar
3
Intensitas emisi benda hitam (blackbody) pada berbagai suhu (Sumber : Michaelsen 2010)
Pada kurva di atas memperlihatkan distribusi radiasi untuk benda hitam sempurna pada berbagai suhu. Kurva tersebut menunjukkan adanya pergeseran puncak distribusi radiasi benda hitam ke arah panjang gelombang yang makin pendek apabila suhu naik yang menyebabkan intensitas radiasi yang dipancarkan juga naik. Panjang gelombang yang dominan atau panjang gelombang yang mencapai radiasi maksimum berkaitan dengan suhunya. Hubungan antara
pancaran maksimum objek, panjang gelombang, dan suhu dinyatakan dengan hukum pergeseran Wien dengan persamaan : λmaks =
..........................(6)
Berdasarkan persamaan di atas, dengan suhu mutlak matahari 6000 K maka akan didapatkan nilai panjang gelombang maksimum radiasi matahari yang mampu memberikan pancaran puncak maksimum terjadi pada panjang gelombang 0.55 µm yang merupakan nilai tengah panjang gelombang cahaya tampak. Sedangkan untuk permukaan bumi dengan suhu permukaan sebesar 300 K memberikan nilai pancaran puncak maksimum pada panjang gelombang 9.7 µm. Oleh karena itu penginderaan jauh termal banyak dilakukan pada kisaran panjang gelombang antara 8 µm sampai 14 µm. 2.4 Jenis-Jenis Awan Awan merupakan hasil kondensasi dari uap air yang bergerak naik bersama kantong udara. Menurut penyebarannya secara vertikal awan dibedakan menjadi : a. Awan tinggi Awan tinggi mempunyai ketinggian lebih dari 6000 m dengan suhu yang sangat rendah. Pada umumnya terdiri dari kristal-kristal es, berwarna putih atau mendekati transparan. Awan tinggi digolongkan menjadi : Cirrus (Ci) : awan yang halus seperti bulu, struktur beserat, sering tersusun seperti pita melengkung. Cirrostratus (Cs) : awan yang berbentuk seperti kelambu putih halus, sering menimbulkan lingkaran pada matahari atau bulan. Cirrocumulus (Cc) : awan yang berbentuk seperti kumpulan bulu domba. b. Awan sedang Awan sedang terdiri awan yang ketinggiannya antara 2000 m sampai 6000 m di atas permukaan laut. Awan ini merupakan campuran titik-titik air dan kristal-kristal es, terdiri dari : Altocumulus (Ac) : sekumpulan awan yang berbentuk bulat, berlapis-lapis, berwarna putih, pucat, dan terdiri dari beberapa bagian yang keabu-abuan karena kurang sinar. Altostratus : awan yang berbentuk seperti selendang yang tebal, berserat, berwarna keabu-abuan. c. Awan rendah Awan rendah berada pada ketinggian di bawah 2000 m, terdiri dari :
5
Stratus : awan yang melebur seperti kabut, seringkali terbentuk dari kabut yang naik. Hujan yang dihasilkan dari awan ini biasanya hujan ringan. Stratocumulus (Sc) : awan yang berbentuk seperti gelombang lautan. Langit yang berwaarna biru sering tampak di antara awan ini. Nimbostratus (Ns) : suatu lapisan awan yang tebal dengan bentuk yang tidak teratur, menimbulkan banyak hujan sehingga disebut awan-awan gangguan (storm cloud). d. Awan yang berkembang vertikal Awan yang berkembang vertikal dihasillkan oleh kantong udara yang hangat dan lembab yang masih mampu naik sampai ketinggian yang cukup tinggi setelah melewati aras kondensasi. Awan ini terdiri dari : Cumulus (Cu) : awan yang berbentuk seperti kubah dengan dasar vertikal. Biasanya terbentuk pada siang hari dalam udara yang bergerak naik. Bagian yang berhadapan dengan matahari terang dan berwarna kelabu pada bagian yang tidak tersinari. Cumulonimnus (Cb) : awan yang berbentuk sangat besar dan kadang-kadang puncaknya melebar. Awan ini menghasilkan hujan yang disertai kilat dan guntur serta badai. Kadangkadang disertai kristal-kristal es. Berwarna putih, pucat, dan terdiri dari beberapa bagian yang keabu-abuan karena kurang sinar (Handoko 1995). Awan Cb mengandung partikel es dan butir air yang besar dan suhu puncaknya mencapai puluhan derajat Celcius (Karmini M 2000). Tabel 3 Penelitian klasifikasi awan yang sudah dilakukan Peneliti Mimin Karmini (2000)
Judul/Tema Hujan Es (Hail) Di Jakarta, 20 April 2000
Francis R Valovcin (1968)
Infrared Measurement of Jet-Stream Cirrus
O LadoBordowsky
Radiometric Measurements
Metode Menghitung cell Cb dilihat dari kecerahan puncak awan yang dikonversi menjadi suhu puncak awan menggunakan satelit GMS-5 Mengukur Tbb puncak awan cirrus menggunakan pesawat terbang U-2 Menghitung suhu kecerahan
dan Hurtaud
Y
of Cirrus Cloud Over Sea and Land Surfaces
cirrostratus dengan teknik rasio menggunakan 2 kanal menggunakan AVHRR3
III BAHAN DAN METODE 3.1 Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian berlangsung pada bulan Maret 2010 - November 2010 di Laboratorium Meteorologi dan Pencemaran Atmosfer Departemen Geofisika dan Meteorologi, IPB. 3.2 Alat dan Bahan Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah perangkat lunak pengolah citra (image processing), perangkat pengolah sistem informasi geografis, Microsoft Office. Adapun data yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : a. Data citra satelit Terra-MODIS L1B yang mencakup wilayah Bogor pada tanggal 1 Januari 2008, 2 November 2008, 26 Maret 2008, 6 April 2008, dan 9 Juli 2008, 24 September 2008. Kanal yang digunakan yaitu kanal 1, 3,dan 4 sebagai kanal reflektan dengan kisaran panjang gelombang tampak yaitu kanal 1 yaitu 0.62 µm sampai 0.67 µm, kanal 3 yaitu 0.459 µm sampai 0.479 µm, kanal 4 yaitu 0.545 µm sampai 0.565 µm dan kanal 31 dan 32 sebagai kanal emisivitas dengan kisaran panjang gelombang inframerah termal yaitu kanal 31 yaitu 10.78 µm sampai 11.28 µm, dan kanal 32 yaitu 11.77 µm sampai 12.27 µm. Ke lima kanal tersebut mempunyai resolusi 1000 m x 1000m. Data tersebut dapat diperoleh dengan mengunduh di alamat http://ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.ht ml b. Peta Rupa Bumi Indonesia (RBI) skala 1:50000. 3.3 Metode Penelitian Langkah-langkah yang dilakukan penelitian ini adalah sebagai berikut :
dalam
3.3.1 Pemrosesan Citra Satelit Pemrosesan awal citra satelit dilakukan untuk mendapatkan informasi awal yang diinginkan dari suatu data citra sebelum dilakukan analisis spasial dan atribut, yaitu informasi reflektan dari kanal 1, kanal 3, dan kanal 4 dan informasi suhu permukaan yang diturunkan dari kanal 31 dan
