Minggu, 19 Mei 2013

LIDAR (Light Detection and Ranging)


Pengertian LIDAR
LIDAR (Light Detection and Ranging) adalah sebuah teknologi sensor jarak jauh menggunakan properti cahaya yang tersebar untuk menemukan jarak dan informasi suatu obyek dari target yang dituju. Metode untuk menentukan jarak suatu obyek adalah dengan menggunakan pulsa laser. Seperti teknologi radar, yang menggunakan gelombang radio, jarak menuju obyek ditentukan dengan mengukur selang waktu antara transmisi pulsa dan deteksi sinyal yang dipancarkan.
Laser
Laser (singkatan dari bahasa Inggris: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) merupakan mekanisme suatu alat yang memancarkan radiasi elektromagnetik, biasanya dalam bentuk cahaya yang tidak dapat dilihat maupun dapat lihat dengan mata normal, melalui proses pancaran terstimulasi. Pancaran laser biasanya tunggal, memancarkan foton dalam pancaran koheren. Laser juga dapat dikatakan efek dari mekanika kuantum. Dalam teknologi laser, cahaya yang koheren menunjukkan suatu sumber cahaya yang memancarkan panjang gelombang yang diidentifikasi dari frekuensi yang sama, beda fase yang konstandan polarisasinya. Selanjutnya untuk menghasilkan sebuah cahaya yang koheren dari medium lasing adalah dengan mengontrol kemurnian, ukuran, dan bentuknya. Keluaran yang berkelanjutan dari laser dengan amplituda-konstan (dikenal sebagai CW atau gelombang berkelanjutan), atau detak, adalah dengan menggunakan teknik Q-switching, modelocking, atau gain-switching.
Laser, mempunyai karakteristik yang berbeda dengan cahaya biasa:
•Monokromatik (panjang gelombang yang sangat spesifik, satu warna spesifik)
•Koheren (‘organized’ foton)
•Direksional (cahaya laser terfokus dan kuat)


Kegunaan LIDAR
Teknologi LIDAR memiliki kegunaan dalam bidang geomatika, arkeologi, geografi, geologi, geomorfologi, seismologi, fisik atmosfer, dan lain-lain.
A.    Pertanian dan Perkebunan
LIDAR dapat digunakan untuk membantu petani menentukan area mana dari bidang lahan mereka untuk menerapkan persebaran pupuk. LIDAR dapat membuat peta topologi dari ladang dan mengungkapkan kelerengan dan paparan sinar matahari dari tanah pertanian. Para peneliti di Agricultural Research Service menyebut kan, dengan LIDAR mampu memperoleh dataset informasi topologi dengan kondisi tanah pertanian dari tahun-tahun sebelumnya. Dari informasi ini, peneliti bisa menentukan kategori tanah pertanian menjadi  kelas tinggi, menengah, atau rendah – untuk menghasilkan zona persebaran kondisi lahan. Teknologi ini berharga untuk petani karena menunjukkan daerah mana untuk menerapkan penyebaran pupuk guna mencapai hasil panen tertinggi.
B.     Arkeologi 
LIDAR memiliki banyak aplikasi dalam bidang arkeologi, termasuk membantu dalam perencanaan survey lapangan, pemetaan fitur bawah kanopi hutan, dan memberikan gambaran luas-detail, dan lain-lain. LIDAR juga dapat membantu arkeolog  untuk membuat model elevasi digital (DEM) resolusi tinggi dari situs-situs arkeologi, yang dapat mengungkapkan mikro-topografi yang tersembunyi oleh vegetasi. LIDAR dan produk turunannya dapat dengan mudah diintegrasikan ke dalam Sistem Informasi Geografis (SIG) untuk analisis dan interpretasi. Sebagai contoh di Fort Beausejour – Fort Cumberland National Historic Site, Kanada, fitur arkeologi yang belum ditemukan sebelumnya telah berhasil dipetakan yang berhubungan dengan pengepungan Benteng pada tahun 1755. Fitur yang tidak bisa dibedakan di lapangan atau melalui fotografi udara diidentifikasi dengan overlay hillshades dari DEM dibuat dengan pencahayaan dari berbagai sudut. Dengan LIDAR, kemampuan untuk menghasilkan resolusi tinggi dataset cepat dan relatif murah. Selain efisiensi, kemampuannya untuk menembus kanopi hutan telah memberikan penemuan fitur yang tidak dapat dibedakan melalui metode geospasial tradisional dan sulit dijangkau melalui survei lapangan. 
C.    Biologi dan Konservasi
LIDAR banyak diaplikasikan di bidang kehutanan. Kanopi ketinggian, pengukuran biomassa, dan luas daun semua bisa dipelajari dengan menggunakan sistem LIDAR. Peta topografi juga dapat dihasilkan dengan mudah dari LIDAR, termasuk untuk penggunaan dalam varian produksi dari peta kehutanan. Contoh lain, Liga Penyelamatan Redwood sedang melakukan sebuah proyek untuk memetakan tinggi pohon di pantai utara California. LIDAR memungkinkan penelitian para ilmuwan untuk tidak hanya mengukur tinggi pohon yang sebelumnya belum dipetakan, tetapi untuk menentukan keanekaragaman hayati hutan redwood. Stephen Sillett yang bekerja pada proyek Liga Pantai Utara LIDAR mengklaim bahwa teknologi ini akan berguna dalam mengarahkan upaya-upaya masa depan untuk melestarikan dan melindungi pohon-pohon tua redwood.
D.    Geomorfologi dan Geofisika
Peta resolusi tinggi elevasi digital yang dihasilkan oleh LIDAR  telah memacu kemajuan signifikan dalam bidang geomorfologi. Kemampuan LIDAR untuk mendeteksi fitur topografi halus seperti teras sungai dan tepi saluran sungai, mengukur elevasi permukaan tanah di bawah kanopi vegetasi, menghasilkan turunan spasial elevasi, dan mendeteksi perubahan elevasi  pada suatu permukaan bumi. Data LIDAR dikumpulkan oleh perusahaan swasta dan juga konsorsium akademik dalam mendukung pengumpulan, pengolahan dan pengarsipan dataset  LIDAR yang tersedia untuk publik. Pusat Nasional untuk Pemetaan Airborne Laser (NCALM), didukung oleh National Science Foundation, mengumpulkan dan mendistribusikan data LIDAR untuk mendukung penelitian ilmiah dan pendidikan di berbagai bidang, khususnya geosains dan ekologi. Dalam geofisika dan tektonik, kombinasi pesawat berbasis LIDAR dan GPS telah berevolusi menjadi alat penting untuk mendeteksi kesalahan dan mengukur material pengangkatan. Output dari kedua teknologi dapat menghasilkan model elevasi sangat akurat untuk medan yang bahkan dapat mengukur elevasi tanah melalui pepohonan. Kombinasi ini telah digunakan untuk menemukan lokasi Fault Seattle di Washington, Amerika Serikat. Kombinasi ini mampu mengukur material pengangkatan di Mt. St Helens dengan menggunakan data dari gletser sebelum dan setelah pengangkatan di tahun 2004. Sistem monitor airborne LIDAR  memiliki kemampuan untuk mendeteksi jumlah halus peningkatan atau penurunan material. Sebuah sistem berbasis satelit NASA ICESat yang mencakup sistem LIDAR diterapkan untuk tujuan ini. Airborne Topografi Mapper NASA digunakan secara luas untuk memantau gletser dan melakukan analisis perubahan pesisir. Kombinasi ini juga digunakan oleh para ilmuwan tanah saat membuat survei tanah. Pemodelan medan detail memungkinkan ilmuwan tanah untuk melihat perubahan bentuk lahan lereng dan menunjukkan pola-pola dalam hubungan spasial.
E.     Transportasi
LIDAR telah digunakan dalam sistem  Adaptive Cruise Control (ACC) untuk mobil. Sistem seperti yang oleh Siemens dan Hella menggunakan perangkat LIDAR dipasang pada bagian depan kendaraan, seperti bumper, untuk memantau jarak antara kendaraan dan setiap kendaraan di depannya. Kendaraan di depan melambat atau terlalu dekat, ACC menerapkan rem untuk memperlambat kendaraan. Ketika jalan di depan jelas, ACC memungkinkan kendaraan untuk mempercepat ke preset kecepatan oleh pengemudi.
F.     Militer
Beberapa aplikasi LIDAR untuk militer memberikan citra resolusi yang lebih tinggi dalam mengidentifikasi target musuh, seperti tank. Nama LADAR lebih umum dipakai di dunia militer. Contoh aplikasi militer LIDAR diantaranya Tambang Laser Airborne Detection System (ALMDS) untuk counter-tambang peperangan dengan Arete Associates. Sebuah laporan NATO (RTO-TR-SET-098) menyebutkan bahwa: berdasarkan hasil sistem LIDAR, satuan tugas merekomendasikan bahwa pilihan terbaik untuk aplikasi jangka dekat (2008-2010) dari stand-off sistem deteksi UV LI. Long-Range Standoff Detection System Biologi (LR-BSD) dikembangkan untuk Angkatan Darat AS untuk memberikan peringatan sedini mungkin atas serangan biologis. Ini adalah sistem udara yang dibawa oleh helikopter untuk mendeteksi awan aerosol buatan yang mengandung senjata  biologi dan kimia pada jarak jauh.
   
Prinsip Kerja Lidar
Prinsip kerja LIDAR secara umum adalah sensor memancarkan sinar laser pada target kemudian sinar tersebut dipantulkan kembali ke sensor. Berkas sinar yang ditangkap kemudian dianalisis oleh peralatan detector. Perubahan komposisi cahaya yang diterima dari sebuah target ditetapkan sebagai sebuah karakter objek. Waktu perjalanan sinar saat dipancarkan dan diterima kembali diperlukan sebagai variable penentu perhitungan jarak dari benda ke sensor.
Untuk mendapatkan gambar, dilakukan penyiaman pada lokasi yang ditentukan. Penyiaman dilakukan dengan memasang laser scanner, GPS, dan INS pada wahana yang dipilih. Berdasarkan skala produk yang diinginkan dan luas cakupan, maka dapat ditentukan jalur terbang. Pada jalur terbang yang telah ditentukan tersebut wahana terbang melaukan penyiaman (scanning). Pada saat laser scanner melakukan penyiaman sepanjang jalur terbang, pada setiap interval waktu tertentu direkam posisinya dengan menggunakan GPS dan orientasinya dengan menggunakan INS. Proses ini dilakukan sampai jalur yang disiam selesai.   
Komponen- komponen LIDAR
a)      Global Positioning System (GPS)
Dalam system LIDAR, GPS dipakai sebagai system penentuan posisi wahana terbang secara 3D (X, Y, Z atau L, B, h) terhadap system referensi teretentu ketika melakukan survey LIDAR. Penentuan posisi dilakukan secara differensial sehingga bias mengamati posisi objek yang diam atau bergerak.
Karena pengukuran posisinya dilakukan secara real time maka metode penentuan GPS itu dinamakan Real Time Kinematics Differential GPS (RTK-DGPS). Ketelitian tipikal posisi yang diperoleh adalah 2 – 5 cm. Data GPS yang dihasilkan, digabungkan dengan data IMU sehingga diperoleh koordinat terdefinisi secara geografis.
b)      Inertial Navigation System (INS)
INS adalah suatu system navigasi yang mampu mendeteksi perubahan geografis, perubahan kecepatan, serta perubahan orientasi dari suatu benda. Sistem ini mampu mengukur besar perubahan sudut orientasi wahana terbang terhadap arah utara, besar pergerakan sudut rotasi wahana terbang terhadap sumbu-sumbu horisontalnya, percepatan wahana terbang, hingga temperature dan tekanan udara di sekitar wahana terbang. Dari hasil pengukuran yang dapat dilakukan oleh INS, dapat dihasilkan informasi berupa orientasi tiga dimensi serta posisi wahana terbang.
c)      Sensor Laser
Sensor LIDAR berfungsi untuk memancarkan sinar laser ke objek dan merekam kembali gelombang pantulannya setelah mengenai objek. Pada umumnya gelombang yang dipancarkan oleh sensor terdiri atas dua bagian, yaitu gelombang hijau dan gelombang infra merah. Gelombang hijau berfungsi sebagai gelombang penetrasi jika suatu sinar laser mengenai daerah perairan. Sinar hijau berfungsi untuk mengukur data kedalaman, sedangkan sinar infra merah berfungsi untuk mengukur data topografi daratan atau permukaan bumi. Kekuatan sensor LIDAR sangat erat kaitannya dengan:
1)      Kekuatan sinar laser yang dihasilkan
2)      Cakupan dari pancaran sinar gelombang laser
3)      Jumlah sinar laser yang dihasilkan tiap detik
Sensor LIDAR memiliki kemampuan dalam pengukuran multiple return. Multiple return digunakan untuk menentukan bentuk dari objek atau vegetasi yang menutupi permukaan tanah. Gelombang yang dipancarkan dan dipantulkan tidak hanya mengenai permukaan tanah, tetapi juga mengenai objek-objek yang ada di atas permukaan tanah. Masing-masing pantulan yang dihasilkan diukur intensitasnya, sehingga diperoleh gambaran atau bentuk dari objek yang menutupi permukaan tanah tersebut.

Pengolahan Data LIDAR
Setelah data mentah dari IMU, GPS, dan jarak laser diperoleh, tahap selanjutnya adalah pengolahan data secara post processing. Yang harus dilakukan selama post processing adalah: Mendownload data carrier phase GPS yang dihasilkan oleh base station dan receiver yang ada pada pesawat. Data ini kemudian diolah dengan menggunakan software GPS post processing yang akan menghitung solusi akurasi kinematik sepanjang lintasan pesawat. Membuang data yang tidak relevan yang dikumpulkan selama pengambilan data. Untuk menentukan kedalaman, sinar laser dipancarkan dari pesawat udara ke bawah dengan sudut θa (θudara) dari garis vertikal. Sudut θa merupakan sudut datang pada permukaan air dari udara. Pada permukaan air ini, sebagian kecil dari energi laser dipantulkan ke udara pada segala arah yang akan diterima kembali oleh receiver di pesawat udara. Sedangkan sebagian besar (98%) energi laser ditransmisikan ke dalam air dengan sudut θw.

Proses Georeferensi Data LIDAR
Proses georeferensi adalah suatu proses atau tahapan untuk mendefinisikan koordinat pusat proyeksi sinar laser sehingga terdefinisi ke suatu sistem koordinat. Vektor dari jarak yang ditembakkan dengan sudut penyiaman η didefinisikan terhadap kerengka referensi dari instrumen laser. Jarak yang dihasilkan laser tersebut kemudian ditransformasikan ke pusat bumi yang direalisasikan melalui sistem WGS 84.

Kelebihan Teknologi LIDAR
  1. LiDAR manggunakan gelombang aktif sehingga akuisisi laser pun dapat dilakukan malam hari. Tapi karena dalam paket system LiDAR sekarang sudah include dengan sensor kamera (gelombang pasif) yang hanya bisa pekerja baik pada siang hari, maka akuisisi hanya dapat dilakukan siang hari supaya kedua sensor dapat bekerja.
  2. Sistem LiDAR dapat melakukan akuisisi jutaan titik x,y dan elevasi z dalam per jam jauh lebih cepat dibandingkan dengan motede konvensional (survey ground).
  3. Kerapatan point/titik ground yang dihasilkan per 1 meter sq minimal 1 point tapi bisa sampai 9 point tergantung permukaan dan tinggi terbang (metode akuisisi) serta FoV (Field of View/ sudut pandang sensor ke bumi). Besaran pulse alat tidak begitu mempengaruhi, saat ini sudah ada vendor yang mampu membuat alat LiDAR dengan pulse diatas 500kHz, pulse besar ini akan maksimal jika pengambilan/akuisisi data dengan pesawat bisa “terbang tinggi”. Untuk wilayah Indonesia negera tropis dimana awan berada di ketinggian 1000 s/d 1500 meter, maka pesawat akan terbang di bawah awan. Untuk terbang dengan ketinggian dibawah 1000 meter, adalah cukup menggunakan pulse 75-120 kHz dan FoV 40 s/d 60 deg.
  4. Karena menggunakan pesawat udara, akses lebih mudah tentunya untuk mengakuisisi/mencapai ke setiap bagian site. Dan disamping itu dapat menghindari kontak langsung dengan masyarakat, yang menjadi masalah besar pada survey ground / konvensional survey.
  5. Hanya butuh 1 titik control tanah (BM) untuk radius terbang akuisisi 30 sd 40 km dari titik control tanah tersebut.
  6. Mampung masuk disela-sela vegerasi, karena karekter gelombang nya seperti gelombang ultraviolet dan menggunakan gelombang lebih pendek dari pada spectrum elektromagnetik yaitu sekitar nm 1064.
  7. Biaya lebih efisien dan efektif, jika area > 1.000ha. Survey ground untuk 1.000ha bisa 1,5M sampai 2M, jika menggunkan LiDAR system dibawah 1M.


Kekurangan Teknologi LIDAR
  1. Sensor LiDAR system tidak bekerjaan maksimal jika terhalang awan/kabut.
  2. Pulse tidak dipantulkan dengan baik jika objek-objek pantul basah (berair). Karena pulse Topographic LiDAR akan diserap / hilang jika mengenai air seperti sungai atau pemukaan yang masih basah akhibat embun atau hujan. LiDAR yang digunakan untuk Hydrographic berbeda dengan Topo, untuk Hydro dikenal dengan nama SHOALS atau singkatan dari Scanning Hydrographic Operational Airborne LiDAR Survey. System ini mampu mengakuisisi permukaan air dan kedalaman air 50 s/d 60 meter dari permukaan air.
  3. Dalam kondisi vegerasi yang sangat rapat “cahaya matahari pun” tidak bisa masuk di sela-sela dedaun, maka dapat dipastikan pulse LiDAR juga tidak akan mampu masuk sampai ke ground (tanah).
  4. Akurasi data LiDAR atau ketelitiaan yang dihasilkan LiDAR bervariatif, sangat bergantung pada kondisi permukaan: terbuka lunak, terbuka keras, semak beluka, hutan rawa, hutan keras, hutan virgin dan lain-lain. Untuk area terbuka keras ketelitan bisa mencapai dibawah 5 cm. Ketelitian Horizontal 2 kali s/d 5 kali lebih “jelek” dari dari ketelitian Vertical.
sumber :
wikipedia.org

3 komentar: