TESIS
RANCANG BANGUN SISTEM INFORMASI PREDIKSI EROSI PANTAI DENGAN ONE-LINE MODEL DAN EMPIRICAL ORTHOGONAL FUNCTION BERBASIS SISTEM INFORMASI GEOGRAFIS
IDA AYU PUTU FEBRI IMAWATI NIM 1491761016
PROGRAM MAGISTER PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS UDAYANA DENPASAR 2016
i
RANCANG BANGUN SISTEM INFORMASI PREDIKSI EROSI PANTAI DENGAN ONE-LINE MODEL DAN EMPIRICAL ORTHOGONAL FUNCTION BERBASIS SISTEM INFORMASI GEOGRAFIS
Tesis untuk Memperoleh Gelar Magister pada Program Magister, Program Studi Teknik Elektro, Program Pascasarjana Universitas Udayana
IDA AYU PUTU FEBRI IMAWATI NIM 1491761016
PROGRAM MAGISTER PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS UDAYANA DENPASAR 2016
ii
iii
TESIS INI TELAH DIUJI DAN DINILAI OLEH PANITIA PENGUJI PADA TANGGAL : 25 Agustus 2016
Panitia Penguji Hasil Penelitian Tesis Berdasarkan SK Rektor Universitas Udayana No : 4171/UN.14.4/HK/2016 Tanggal : 19 Agustus 2016 Ketua : Dr. Ir. Made Sudarma, M.A.Sc Anggota : 1. I Nyoman Satya Kumara, ST., M.Sc., PhD 3. Prof. Ir. Rukmi Sari Hartati, MT,.PhD 3. Prof. Ir. Ida Ayu Dwi Giriantari, MEngSc., PhD 4. NMAE Dewi Wirastuti, ST., MSc., PhD
iv
v
UCAPAN TERIMAKASIH
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Ida Sang Hyang Widhi Waca sehingga dengan rahmat dan izin-Nya lah tesis ini dapat terselesaikan. Pada kesempatan ini, penulis menyampaikan terima kasih yang sedalam dalamnya kepada Bapak Rektor Universitas Udayana, Prof. Dr. dr. I Ketut Suastika, Sp.PDKEMD atas kesempatan dan fasilitas yang diberikan kepada penulis untuk dapat mengikuti dan menyelesaikan pendidikan pada Program Magister Universitas Udayana. Terimakasih yang sebesar-besarnya kepada Ibu Prof. Dr. dr. A. A. Raka Sudewi, Sp.S (K), sebagai Direktur Program Pascasarjana Universitas Udayana atas kesempatan yang telah diberikan kepada penulis untuk menjadi mahasiswa Magister Teknik Elektro Universitas Udayana. Penulis juga menyampaikan terima kasih kepada Ibu Prof. Ir. I. A. Dwi Giriantari, M.Eng,Sc., PhD, selaku Ketua Program Studi Magister Teknik Elektro Program Pasca Sarjana Universitas Udayana. Bapak Pembimbing I, Dr. Ir. Made Sudarma, M.A.Sc penulis sampaikan penghormatan yang setinggi-tingginya atas ide, konsep, pemikiran dan cara pandang Beliau yang mempengaruhi sikap perilaku dan pemikiran penulis dan Bapak I Nyoman Satya Kumara, ST., M.Sc., PhD selaku pembimbing II yang dengan tulus dan detail mengarahkan sehingga pengerjaan tesis ini dapat terselesaikan. Selaku dosen penguji tesis Ibu Prof. Ir. Rukmi Sari Hartati, MT,.PhD, Ibu Prof. Ir. Ida Ayu Dwi Giriantari, MEngSc., PhD dan Ibu NMAE Dewi Wirastuti, ST., MSc., PhD terima kasih penulis sampaikan karena telah memberikan masukan, saran, sanggahan dan koreksi demi
vi
penyempurnaan dan kelayakan tesis ini. Beserta segenap dosen dan staff administrasi di Program Magister Teknik Elektro. Penghormatan dan terima kasih juga penulis sampaikan kepada Bapak Lanang Sunu Perbawa, ST dari Kementerian Pekerjaan Umum dan Perumahan Rakyat Direktorat Jenderal Sumber Daya Air Satker Balai Wilayah Sungai Bali Penida, Ibu Budi Anggraeni dari Badan Meteorologi, Klimatologi dan Geofisika Wilayah III Denpasar, Ibu Tatik Budi selaku perwakilan Badan Informasi Geospasial wilayah Bali, Bapak Evendi Akhmad dari Badan Pusat Statistik Provinsi Bali atas semua informasi dan data sehingga tesis ini dapat diselesaikan. Ngakan Putu Purnaditya, ST terima kasih atas tutorial, contoh, pendapat dan referensi mengenai teknik pantai. Mbak Andhita Triwahyuni, atas saran pendapat dan tutorialnya mengenai oseanografi dan Putu Ranu Fajar beserta teman-teman di Fakultas Perikanan dan Kelautan Universitas Udayana atas tutorial GIS dan pemikirannya sehingga penulis memiliki arah yang jelas dalam penulisannya. Sahabat, rekan angkatan 2014 Magister Teknik Elektro terima kasih atas waktu luar biasa satu tahun belajar bersama dan support semangatnya. Keluarga besar tercinta di Belega, keluarga besar di Negara, Ajik, Ibu, Gusde Odo, Ida Bagus Made Putra Suryadi Kesuma, ST terima kasih atas dukungannya, Dayu Gek Kartika Laksmi atas pengertiannya mengurangi waktu bersama ibunya, Mamak Adek, Yuni, Pak De Nesa terima kasih karena selalu menjaga Gek Tika. Selain itu rekan-rekan dosen dan staf administrasi di STMIK Denpasar terima kasih atas kesempatan untuk meninggalkan tugas serta tak lupa pula pada Yayasan Pendidikan Kerthawisata terima kasih atas kesempatan dan ijin
vii
untuk studi. Kepada segenap pihak yang telah membantu penulis dalam pengerjaan tesis ini, yang mungkin tidak dapat disebutkan satu persatu. Penulis ucapkan terima kasih. Akhir kata, semoga buku tesis ini dapat memberikan manfaat bagi banyak kalangan.
Denpasar, Juni 2016,
Penulis
viii
ABSTRAK
Tujuan penelitian ini adalah membuat pemodelan perubahan garis pantai di Pantai Lebih kemudian menganalisis dan memprediksi perubahan garis pantai hingga kurun waktu 10 tahun hingga dapat memberikan informasi perubahan garis pantai bagi pihak-pihak yang berkepentingan. Dengan menggunakan data rata-rata angin kecepatan dan arah, kedalaman pantai serta data shp file Pulau Bali sebagai data garis pantai awal. Pemodelan dan prediksi dilakukan dengan menggunakan One-Line model dan analisis menggunakan Empirical Orthogonal Function. Sebelum pemodelan dengan One-Line, dilakukan tiga tahapan kajian pendahuluan yaitu pertama meramalkan gelombang laut dalam (tinggi dan periode), kedua adalah menghitung ketinggian dan kedalaman gelombang pecah dan ketiga adalah menentukan koordinat sel-sel garis pantai dari file shp peta Pulau Bali. Berdasarkan ketiga tahap ini dilakukan perhitungan laju transport sedimen dan perubahan akresi, erosi atau stabilnya garis pantai. Hasilnya berupa koordinat hasil perubahan garis pantai. Koordinat hasil perubahan garis pantai dengan ONE-LINE model digunakan sebagai inputan awal perhitungan Empirical Orthogonal Function. Perhitungan dengan EOF akan menghasilkan eigen vector dan eigen value mode pertama hingga mode kelima (spasial) serta principal component-nya (temporal). Selain itu juga menghasilkan ordinat spasiotemporal dari EOF mode pertama. Selanjutnya proses prediksi dilakukan dengan ONE-LINE model, selama kurun waktu 10 tahun dengan asumsi arah datang gelombang sama dengan awal. Hasil perhitungan numerik untuk tahap ONE-LINE model dan prediksi akan dapat ditampilkan menggunakan tool sistem informasi geografis. Selain itu pengujian masing-masing perhitungan (pemodelan) dilakukan dengan membandingkan hasil ONE-LINE model baik pemodelan maupun prediksi dengan peta garis pantai awal (bukan hasil pengukuran langsung tapi berupa jarak antara koordinat acuan dengan titik koordinat peta) menggunakan formula RMSE dan MAPE sehingga dapat diketahui model dengan unjuk kerja terbaik. Kata kunci : Oneline Model, EOF, erosi pantai, Pantai Lebih, perubahan garis pantai
ix
ABSTRACT The purpose of this study is to make modeling of shoreline change in Lebih Beach then analyze and predict changes in the coastline up to 10 years to be able to provide information shoreline change for the parties concerned. By using average data of wind speed and direction, the depth of the beach , data shp file of Bali island as a primary data of the shoreline. Modeling and prediction is done by using the ONE-LINE models and analysis using Empirical Orthogonal Function. Before modeling with ONE-LINE, three stages of preliminary studies has been done. First, predict ocean wave in (height and period), the second is to calculate the height and depth of a breaking wave and the third is to determine the coordinates of the shoreline cells of shp file Bali island map. Based on these three stages of the calculation of sediment transport rate and changes accretion, erosion or instability of the shoreline. The result is a result of changes in the coordinates of the coastline. Coordinates the results of shoreline change with ONE-LINE models are used as initial input calculation of Empirical Orthogonal Function. Calculations by the EOF will produce eigen vectors and eigen value first mode until the fifth mode (spatial) as well as its principal component (temporal). It also produces ordinate spasiotemporal of the first EOF mode. Furthermore, the prediction process is done by ONE-LINE models, during the past 10 years, assuming the same wave direction to start. The results of numerical calculations for stage ONE-LINE models and predictions will be displayed using geographic information system tools. In addition each test calculations (modeling) is done by comparing the results of the ONE-LINE models of both modeling and prediction with a map of the preliminary coastline (instead of direct measurements but of a distance between the coordinate reference to the coordinates of the map) using the formula RMSE and MAPE so that it can known models with the best performance. Keywords : Oneline Model, EOF, coastal erosion, Lebih Beach, shoreline changes
x
DAFTAR ISI SAMPUL DALAM............................................................................................... i HALAMAN PRASYARAT ................................................................................. ii LEMBAR PENGESAHAN ................................................................................. iii PENETAPAN PANITIA PENGUJI .................................................................... iv PERSYARATAN KEASLIAN PENELITIAN ..................................................... v UCAPAN TERIMA KASIH ............................................................................... vi ABSTRAK ......................................................................................................... ix ABSTRACT ........................................................................................................ x DAFTAR ISI ..................................................................................................... xi DAFTAR TABEL ............................................................................................ xiii DAFTAR GAMBAR ........................................................................................ xiv DAFTAR ISTILAH DAN SINGKATAN ......................................................... xvi BAB I PENDAHULUAN ................................................................................... 1 1.1 Latar Belakang .............................................................................................. 1 1.2 Rumusan Masalah ......................................................................................... 7 1.3 Tujuan Penelitian .......................................................................................... 7 1.4 Manfaat Penelitian ........................................................................................ 7 1.5 Ruang Lingkup Penelitian ............................................................................. 8 1.6 Keaslian Penelitian........................................................................................ 8 BAB II KAJIAN PUSTAKA ............................................................................. 11 2.1 State of The Art Review ............................................................................... 11 2.2 Gambaran Umum Pantai ............................................................................. 20 2.3 Pembangkitan Gelombang .......................................................................... 22 2.3.1 Data Angin ........................................................................................ 23 2.3.2 Peramalan Gelombang ....................................................................... 25 2.3.3 Klasifikasi Gelombang Berdasarkan Kedalaman Relatif ..................... 28 2.3.4 Distribusi Gumbel .............................................................................. 29 2.3.5 Deformasi Gelombang ....................................................................... 31 2.3.6 Volume Transport Rate ...................................................................... 36 2.4 ONE-LINE Model ....................................................................................... 37 2.5 Sistem Informasi Geografis ......................................................................... 39 2.6 Empirical Orthogonal Function (EOF) ....................................................... 42 2.7 Prediksi Perubahan Garis Pantai dengan ONE-LINE Model ........................ 44 2.8 Pengujian Unjuk Kerja Model ..................................................................... 45 BAB III METODE PENELITIAN ..................................................................... 47 3.1 Gambaran Umum Penelitian ....................................................................... 47 3.1.1 Gambaran Umum Pemodelan Garis Pantai dengan ONE-LINE Model 47 3.1.2 Gambaran Analisis Perubahan Garis Pantai dengan EOF ................... 49 3.1.3 Gambaran Prediksi Garis Pantai ......................................................... 49 3.1.4 Gambaran Validasi dan Pengujian Model ........................................... 49 3.2 Rancangan Alur Penelitian .......................................................................... 50 3.2.1 Studi Literatur dan Pengumpulan data ................................................ 51 xi
3.2.2 Perancangan Pemodelan dengan ONE-LINE Model ........................... 52 3.2.3 Perancangan Integrasi Dukungan SIG pada ONE-LINE model dan EOF............................................................................................ 55 3.2.4 Pengujian Unjuk Kerja Model ........................................................... 59 3.2.5 Perancangan Layout Peramalan Gelombang ....................................... 60 3.2.6 Penyusunan Kesimpulan .................................................................... 60 3.3 Alat dan Bahan Penelitian ........................................................................... 60 3.3.1 Alat Penelitian .................................................................................. 61 3.3.2 Bahan Penelitian ............................................................................... 60 3.3.3 Lokasi dan Waktu Penelitian ............................................................. 61 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................ 62 4.1 Kajian Pendahuluan ................................................................................... 62 4.2 Pembuatan Model dan Aplikasi .................................................................. 63 4.3 Pengujian dan Analisis ............................................................................... 63 4.4 Windrose Berdasarkan Data Angin Tahun 2005-2014 ................................ 64 4.4.1 Fetch Efektif Pantai Lebih .............................................................. 65 4.4.2 Peramalan Gelombang Laut Dalam Pantai Lebih ............................ 66 4.4.3 Gelombang Rencana dengan Analisis Fisher Tippet Type I ............ 68 4.5 Pembuatan Tabel Koefisien Refraksi Gelombang ....................................... 70 4.6 Pembuatan Tabel Koefisien Efek Pendangkalan Gelombang ...................... 70 4.7 Pembuatan Tabel Rekapitulasi Gelombang Pecah ...................................... 71 4.8 Pembagian Pias Garis Pantai Lebih ............................................................ 72 4.9 Pembuatan Aplikasi dan Interface Peramalan Gelombang Laut Dalam ....... 74 4.10 Aplikasi Perubahan Garis Pantai denagn ONE-LINE Model ....................... 75 4.4.1 Pembuatan Aplikasi........................................................................ 75 4.4.2 Proses Menjalankan Aplikasi.......................................................... 77 4.4.3 Plot Perubahan Ordinat garis Pantai dan Analisis ........................... 78 4.11 Plotting Perubahan Garis Pantai dengan ONE-LINE Model pada Qgis ....... 88 4.12 Aplikasi Perhitungan EOF .......................................................................... 89 4.12.1 Pembuatan Aplikasi........................................................................ 89 4.12.2 Hasil Perhitungan EOF ................................................................... 89 4.12.3 Plot Spasial EOF ............................................................................ 90 4.12.4 Plot Temporal EOF ........................................................................ 91 4.13 Prediksi Perubahan Garis Pantai dengan ONE-LINE Model ....................... 91 4.14 Plotting Perubahan Garis Pantai Hasil Prediksi ONE-LINE Model pada Qgis ............................................................................................................ 99 4.15 Pengujian Unjuk Kerja Model .................................................................. 100 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN............................................................ 106 5.1 Kesimpulan ............................................................................................... 106 5.2 Saran......................................................................................................... 107 DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................... 108 LAMPIRAN
xii
DAFTAR TABEL
2.1 Daftar Acuan Penelitian ............................................................................. 18 2.2 Skala Beaufort ............................................................................................ 24 2.3 Beberapa Konstanta Rumus Transpor Sedimen Sepanjang Pantai ............... 37 3.1 Data yang Diperlukan ................................................................................. 52 4.1 Arah Angin dan Persentase Kejadian .......................................................... 64 4.2 Hasil Perhitungan Fetch Efektif .................................................................. 65 4.3 Nilai Tinggi dan Periode Maksimal Tiap Tahun ......................................... 69 4.4 Data Laut Dalam ........................................................................................ 70 4.5 Rekapitulasi Parameter Gelombang Pecah .................................................. 72 4.6 Rekapitulasi Jumlah Iterasi dan Arah Eksekusi ONE-LINE Model ............. 77 4.7 Varian Data ................................................................................................ 90 4.8 Rekapitulasi perhitungan RMSE dan MAPE ............................................ 101 4.9 Perubahan Ordinat y Tahun 2005 ............................................................. 101 4.10 Perubahan Ordinat y Tahun 2012 ............................................................. 101 4.11 Perubahan Ordinat y Tahun 2014 ............................................................. 102 4.12 Rata-Rata Perubahan Maju-Mundur Garis Pantai ..................................... 103 4.13 Rata-Rata Prediksi Perubahan Maju-Mundur Garis Pantai ........................ 105
xiii
DAFTAR GAMBAR
1.1 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19
Diagram Fishbone ..................................................................................... 10 Pantai dan Definisinya .............................................................................. 20 Gelombang Definisi dan Karakteristiknya ................................................. 22 Rasio kecepatan angin overwater UW hingga overland UL ......................... 26 Grafik Peramalan Gelombang ................................................................... 28 Ilustrasi Peristiwa Refraksi Gelombang ..................................................... 32 Refraksi Gelombang pada Kontur Sejajar.................................................. 33 Proses Terbentuknya Sudut Gelombang Pecah .......................................... 35 Garis Pantai Dibagi ke Dalam Sel yang Memiliki Lebar ∆x dan Panjang (yi), i Mengacu pada Nomor dari Sel ................................................................ 38 Sedimen Transpor ke Dalam dan ke Luar Sel ............................................ 38 Subsistem SIG .......................................................................................... 35 Diagram Alur Penelitian ........................................................................... 51 Blok Diagram Peramalan Gelombang ....................................................... 53 Blok Diagram Pembagian Pias Garis Pantai .............................................. 53 Blok Diagram Analisis Pendangkalan, Analisis Refraksi Gelombang dan Analisis Gelombang Pecah ....................................................................... 54 Diagram Alir Pemodelan Garis Pantai dengan ONE-LINE Model............. 55 Blok Diagram Dukungan Sistem Informasi Geografis pada ONE-LINE model dan EOF ......................................................................................... 56 Analisis Perubahan Garis Pantai dengan EOF ........................................... 57 Prediksi dengan ONE-LINE model ........................................................... 58 Pengujian Unjuk Kerja Model ................................................................... 59 Modul Peramalan Gelombang ................................................................... 60 Windrose Data Angin tahun 2005-2014 .................................................... 64 Penentuan Fetch Efektif ............................................................................ 65 Plotting H dan T pada Grafik Peramalan Gelombang nilai U A ≤ 5 m/d ...... 68 Ordinat Garis Pantai Awal Pantai Lebih .................................................... 72 Garis Pantai Setelah Diubah Orientasinya ................................................. 73 Desain interface Peramalan Gelombang .................................................... 74 Proses Running Aplikasi Peramalan Gelombang ....................................... 75 Plot Perubahan Garis Pantai Tahun 2005 .................................................. 81 Plot Perubahan Garis Pantai Tahun 2006 .................................................. 81 Plot Perubahan Garis Pantai Tahun 2007 .................................................. 82 Plot Perubahan Garis Pantai Tahun 2008 .................................................. 82 Plot Perubahan Garis Pantai Tahun 2009 .................................................. 83 Plot Perubahan Garis Pantai Tahun 2010 .................................................. 83 Plot Perubahan Garis Pantai Tahun 2011 .................................................. 84 Plot Perubahan Garis Pantai Tahun 2012 .................................................. 86 Plot Perubahan Garis Pantai Tahun 2013 .................................................. 87 Plot Perubahan Garis Pantai Tahun 2014 .................................................. 87 Plotting Ordinat Perubahan Garis Pantai Hasil ONE-LINE Model ............ 88 Plotting Spasial EOF Mode 1 .................................................................... 91
xiv
4.20 4.21 4.22 4.23 4.24 4.25 4.26 4.27 4.28 4.29 4.30 4.31
Plotting Temporal EOF Mode 1 ................................................................ 91 Plot Prediksi Garis Pantai Tahun 2015 ...................................................... 93 Plot Prediksi Garis Pantai Tahun 2016 ...................................................... 93 Plot Prediksi Garis Pantai Tahun 2017 ...................................................... 94 Plot Prediksi Garis Pantai Tahun 2018 ...................................................... 94 Plot Prediksi Garis Pantai Tahun 2019 ...................................................... 95 Plot Prediksi Garis Pantai Tahun 2020 ...................................................... 95 Plot Prediksi Garis Pantai Tahun 2021 ...................................................... 96 Plot Prediksi Garis Pantai Tahun 2022 ...................................................... 98 Plot Prediksi Garis Pantai Tahun 2023 ...................................................... 98 Plot Prediksi Garis Pantai Tahun 2024 ...................................................... 99 Plotting Perubahan Garis Pantai Prediksi ONE-LINE Model .................. 100
xv
DAFTAR ISTILAH DAN SINGKATAN
BIG BMKG BPS BWS CERC Departemen PU DSAS EOF GUI GIS MAPE Matlab NDWI PC PCA RMSE SIG SPM TM UK USACE
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Badan Informasi Geospasial Badan Meteorologi, Klimatologi dan Geofisika Badan Pusat Statistik Balai Wilayah Sungai Bali-Penida Coastal Engineering Research Center Departemen Pekerjaan Umum Digital Shoreline Analysis System Empirical Orthogonal Function Graphical User Interface Geographical Information System Mean Absolute Percentage Error Matrix Laboratory Normalized Difference Water Index Principal Component Principal Component Analysis Root Mean Square Error Sistem Informasi Geografis Shore Protection Manual Thematic Mapper United Kingdom U.S. Army Corps of Engineers
xvi
