IDENTIFIKASI CITRA KARANG MENGGUNAKAN JARINGAN SYARAF TIRUAN: KASUS FAMILY POCILLOPORIDAE RONI SALAMBUE SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2007
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Indonesia adalah negara kepulauan terbesar dengan letak geografis di antara samudera hindia dan samudera pasifik yang memiliki keanekaragaman jenis (biodiversity) laut yang tak terhitung jumlahnya. Salah satunya adalah terumbu karang (coral reefs). Terumbu karang terdiri atas bangunan ribuan karang batu yang menjadi tempat hidup berbagai ikan dan biota laut lainnya yang memiliki banyak fungsi penting bagi lingkungan maupun manusia. Masalah biodiversity selalu menanyakan ada berapa spesies di suatu area, seperti berapa jenis karang di area tersebut kemudian berapa jenis biota lainnya. Untuk mengetahui keanekaragaman jenis karang maka diperlukan proses identifikasi dan inventarisasi. Proses ini dilakukan secara kontiniu karena dikhawatirkan keanekaragaman jenis akan berkurang atau hilang karena pemanfaatan yang tidak pada tempatnya, pengelolaan lingkungan yang tidak ramah dan bencana alam. Secara spesifik kerusakan pada karang disebabkan oleh rusaknya fisik akibat pengeboman ikan atau bencana alam, karang dijadikan sumber bahan bangunan atau souvenir (coral mining) dan habitatnya rusak karena polusi atau sampah (Sukarno R 15 Februari 2007, komunikasi pribadi). Salah satu usaha untuk melestarikan terumbu karang adalah dengan melakukan program konservasi dan monitoring terumbu karang (Donelly & Mous 2002). Pada dasarnya kegiatan monitoring bertujuan untuk menentukan populasi organisme di area karang seperti karang hidup, karang mati, alga dan sebagainya (Kenchington & Hudson dalam Marcos et al. 2005). Sehingga para peneliti dan ilmuwan di bidang kelautan dapat mengambil kesimpulan apakah ekosistem karang baik, rusak atau mati. Dalam kegiatan monitoring terumbu karang telah memanfaatkan teknologi foto satelit dan foto udara. Untuk mendapatkan korelasi antara citra spektral yang dihasilkan oleh foto satelit dengan informasi sebenarnya seperti distribusi karang hidup digunakan teknik pengolahan citra (image processing) dan pengenalan pola (pattern recognition). Teknik ini digunakan menganalisa citra foto satelit sehingga dapat diketahui citra terumbu karang diantara citra species lainnya (Bradbury et
2 al. 1986; Freire 2001). Disamping foto satelit dan foto udara, ilmuwan dan peneliti kelautan juga menggunakan video dan fotografi bawah laut untuk melakukan identifikasi dan inventarisasi terumbu karang (Suharsono 1996, 2005; Veron 1986). Pada umumnya peneliti menggunakan dua macam teknik identifikasi yaitu teknik visual (identifikasi langsung) dan teknik struktur karang (identifikasi tidak langsung). Teknik visual dilakukan dengan memperhatikan warna, tekstur dan bentuk koloni karang secara langsung atau citra hasil fotografi. Sementara teknik struktur karang dilakukan dengan memperhatikan bentuk kerangka kapur karang pada karang yang telah mati dengan alat bantu mikroskop dan kaca pembesar. Saat ini trend metode identifikasi adalah teknik visual karena tidak harus mengambil dan mematikan karang yang dapat merusak pertumbuhan karang. Namun teknik visual ini hanya dapat dilakukan oleh peneliti atau ilmuwan yang ahli dan berpengalaman. Sementara itu pada peneliti pemula yang ingin menerapkan teknik visual harus melengkapi diri dengan referensi-referensi yang memadai dan waktu yang relatif lama untuk dapat mengidentifikasi karang dengan teknik ini. Semakin sering seorang peneliti pemula melakukan identifikasi karang maka akan terbentuk secara intuisi pengetahuan tentang karang sehingga waktu yang digunakan untuk mengidentifikasi relatif lebih cepat (Sukarno R 18 Januari 2007, komunikasi pribadi). Teknik visual adalah teknik yang membutuhkan skill penglihatan dan kemampuan untuk mengklasifikasikan pola yang terbentuk dari warna, tekstur dan bentuk karang. Teknik ini dapat dimodelkan ke dalam teknik statistik yang menjadi basic ilmu pengolahan citra dan pengenalan pola. Berdasarkan hal tersebut penelitian ini dilakukan guna mengimplementasikan teknik visual tersebut kedalam sistem komputer yang dapat membantu dan memudahkan para peneliti dalam mengidentifikasi karang dari citra hasil fotografi. Ada kesulitan yang melekat dalam mengaplikasikan teknik pengolahan citra dan pengenalan pola untuk mengidentifikasi citra karang. Karang memiliki variasi warna, tekstur dan bentuk yang beranekaragam, tidak seperti wajah atau sidik jari yang mempunyai derajat kemiripan yang tinggi dan memiliki ciri yang terdefinisi dengan baik. Karang adalah obyek tiga dimensi yang dapat dilihat berbeda dari
3 bermacam-macam perspektif dan skala (Marcos et al. 2005). Menurut Lovell dalam Veron (1986) karang memiliki tiga warna yaitu: (1) warna yang dilihat di dalam air, (2) warna yang dilihat ketika karang diambil dan (3) warna yang dihasilkan dari hasil fotografi. Beberapa penelitan citra terumbu karang yang menggunakan teknik image processing dan pattern recognition dilakukan oleh Soriano et al. (2001) untuk mengidentifikasi lima jenis obyek dari citra terumbu karang. Marcos et al. (2005) melakukan hal yang sama dengan mengurangi jumlah obyek yang diklasifikasikan menjadi tiga kelompok benthic (organisme bawah laut) dari citra terumbu karang dengan teknik klasifikasi menggunakan jaringan syaraf tiruan (JST) dan two-step classifier. JST adalah sistem pemroses informasi berbasis komputer yang memiliki karakteristik mirip dengan jaringan syaraf manusia. JST dapat dilatih dan melakukan pembelajaran untuk membentuk suatu model referensi berdasarkan pola data yang diberikan (Fausett 1994). JST mampu menyelesaikan persoalan rumit yang sulit atau bahkan tidak mungkin jika diselesaikan dengan menggunakan komputasi konvensional dan memiliki tingkat akurasi pengenalan terhadap pola yang baik. Pada penelitian ini dilakukan perancangan dan implementasi JST untuk identifikasi citra karang dengan mengektraksi nilai warna, tekstur dan bentuk dari citra karang sebagai parameter input JST. Pengukuran kinerja sistem dilakukan dengan menggunakan parameter konvergensi dan generalisasi. 1.2 Tujuan Penelitian 1. Menentukan ektraksi ciri (feature extraction) sebagai parameter input yang akan digunakan dalam model JST. 2. Melakukan komparasi antara tiga metode analisa tekstur yang digunakan untuk mengekstraksi nilai tekstur. 3. Mengembangkan prototipe sistem yang dapat mengidentifikasi citra karang dengan teknik JST.
4 1.3 Ruang Lingkup Ruang lingkup penelitian ini mencakup : 1. Identifikasi citra karang dilakukan pada jenis karang batu (hard coral) family pocilloporidae. 2. Identifikasi yang dilakukan dibatasi sampai pada tingkat genus. 3. Identifikasi dilakukan berdasarkan citra masing-masing genus karang. 4. Ektraksi ciri dilakukan pada warna, tekstur dan bentuk. 5. Warna yang dijadikan referensi adalah warna citra hasil fotografi. 6. Format citra karang.jpg. 7. Tidak memperhatikan noise citra. 8. Pengembangan model JST dan prototipe sistem menggunakan perangkat lunak MATLAB versi 7.0.1 1.4 Manfaat Penelitian 1. Sistem ini diharapkan memberikan kontribusi kepada peneliti terumbu karang dalam mengidentifikasi karang dengan lebih cepat dan akurat. 2. Implementasi teknik pengolahan citra pada tahap ekstraksi ciri yaitu model warna RGB dan HSV untuk warna, tiga metode analisis tekstur untuk tekstur dan momen invarian untuk bentuk.
5 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Struktur dan Anatomi Karang Istilah karang mempunyai banyak arti, tapi umumnya berhubungan dengan order scleractinia, semua karang yang membentuk kapur. Karang terbagi atas dua kelompok yaitu karang yang membentuk terumbu (hermatypic coral) dan karang yang tidak membentuk terumbu (ahermatypic coral). Kelompok pertama dalam prosesnya bersimbiosis dengan zooxanthellae dan membutuhkan sinar matahari untuk membentuk bangunan dari kapur yang kemudian reef building corals, sementara kelompok kedua tidak dapat membentuk bangunan kapur yang dikenal dengan non reef building corals yang secara normal hidupnya tidak tergantung pada sinar matahari (Veron 1986). Karang yang hidup di laut tampak terlhat seperti batuan dan tanaman yang memiliki bentuk, ukuran dan warna yang berbeda-beda. Tetapi sebenarnya setiap koloni (bentuk) karang merupakan kumpulan hewan-hewan kecil yang dinamakan polip. Polip adalah makhluk yang sangat sederhana dan termasuk dalam hewan tak bertulang belakang. Polip memiliki sebuah mulut yang dikelililingi oleh tentakel-tentakel yang dapat menyengat. Pada tentakel terdapat sel-sel racun yang digunakan untuk menangkap berbagai jenis hewan dan tumbuhan laut yang sangat kecil atau disebut plankton sebagai bahan makanan (Sukarno R 18 Januari 2007, komunikasi pribadi). Menurut Suharsono (1996, 2005) karang merupakan binatang yang sederhana berbentuk tabung dengan mulut berada diatas yang juga berfungsi sebagai anus. Di sekitar mulut dikelilingi oleh tentakel yang berfungsi sebagai penangkap makanan. Mulut dilanjutkan dengan tenggorokan yang pendek yang langsung menghubungkan dengan rongga perut. Di dalam rongga perut terdapat semacam usus yang disebut dengan mesentri filamen yang berfungsi sebagai alat pencerna. Untuk tegaknya seluruh jaringan, polip didukung oleh kerangka kapur sebagai penyangga. Kerangka kapur ini berupa lempengan-lempengan yang tersusun secara radial dan berdiri tegak pada lempeng dasar. Lempengan yang berdiri ini disebut sebagai septa yang tersusun dari bahan anorganik dan kapur yang merupakan hasil sekresi dari polip karang.
6 Dinding dari polip karang terdiri dari tiga lapisan yaitu ektoderm, endoderm dan mesoglea. Ektoderm merupakan jaringan terluar yang terdiri dari berbagai jenis sel antara lain sel mucus dan sel nematocyst. Endoderm berada dilapisan dalam yang sebagian besar selnya berisi sel algae yang merupakan simbion karang. Sedangkan mesoglea merupakan jaringan yang ditengah berupa jelly. Di dalam lapisan jelly terdapat fibril-fibril sedangkan dilapisan luar terdapat sel semacam sel otot. Seluruh permukaan jaringan karang dilengkapi dengan cilia dan flagela. Kedua sel ini berkembang dengan baik di tentakel dan di dalam sel mesenteri. Pada lapisan ektoderm banyak dijumpai sel glandula yang berisi mucus dan sel knidoblast yang berisi sel nematocyts. Nematocyts merupakan sel penyengat yang berfungsi sebagai alat penangkap makanan dan mempertahankan diri. Sedangkan sel mucus berfungsi sebagai produsen mucus yang membantu menangkap makanan dan untuk membersihkan diri dari sedimen yang melekat. Karang mempunyai sistem syaraf, jaringan otot dan reproduksi yang sederhana akan tetapi telah berkembang dan berfungsi secara baik. Jaringan syaraf yang sederhana ini tersebar baik di ektoderm, endoderm dan mesoglea yang dikoordinasi oleh sel khusus yang disebut sel junction yang bertanggung jawab memberi respon baik mekanis maupun khemis terhadap adanya stimuli cahaya. Jaringan otot yang sederhana biasanya terdapat diantara jaringan mosoglea yang bertanggung jawab atas gerakan polip untuk mengembang atau mengkerut sebagai respon perintah jaringan syaraf. Sinyal jaringan itu tidak hanya di dalam satu polip tetapi juga diteruskan ke polip yang lain. Jaringan mesenterial filamen berfungsi sebagai alat pencernaan yang sebagian besar selnya berisi sel mucus yang berisi enzim untuk mencerna makanan. Lapisan luar dari jaringan mesenteri filamen dilengkapi sel cilia yang halus. Organ reproduksi karang berkembang diantara mesenteri filamen. Pada saat tertentu organ-organ reproduksi terlihat dan pada waktu yang lain menghilang, terutama untuk jenis karang yang hidup di daerah sub tropis. Untuk karang yang hidup di daerah tropis organ reproduksi ini dapat ditemukan sepanjang tahun karena siklus reproduksinya terjadi sepanjang tahun. Dalam satu polip dapat ditemukan organ betina saja atau jantan saja atau kedua-duanya (hermaprodit).
7 Namun karang hermaprodit jarang yang mempunyai tingkat pemasakan antara gonad jantan dan betina matang pada saat yang bersamaan. Pemberian nama karang adalah berdasar skeleton yang terbuat dari kapur, oleh karena itu pengenalan terminologi skeleton sangat penting artinya. Untuk memperoleh gambaran tentang karang dapat dilihat pada Gambar 1. Gambar 1 Struktur polip dan kerangka kapur karang (Suharsono 2005). Lempeng dasar yang merupakan lempeng yang terletak di dasar sebagai fondasi dari septa yang muncul membentuk struktur yang tegak dan melekat pada dinding yang disebut epitheca (epiteka). Keseluruhan skeleton yang terbentuk dari
8 satu polip disebut corallite (koralit), sedangkan keseluruhan skeleton yang dibentuk oleh keseluruhan polip dalam satu individu atau satu koloni disebut corallum (koralum). Permukaan koralit yang terbuka disebut calyx (kalik). Septa dibedakan menjadi septa utama, kedua, ketiga dan seterusnya tergantung dari besar kecilnya dan posisinya. Septa yang tumbuh hingga mencapai dinding luar dari koralit disebut costae (kosta). Pada dasar sebelah dalam dari septa tertentu sering dilanjutkan suatu struktur yang disebut pali. Struktur yang berada di dasar dan di tengah koralit yang sering merupakan kelanjutan dari septa disebut columella (kolumela). Dari cara terbentuknya koralit maka dibedakan menjadi extra tentacular jika koralit yang baru terbentuk di luar koralit yang lama. Intra tentacular jika koralit yang baru terbentuk di dalam koralit yang lama. Cara pembentukan koloni karang yang demikian akhirnya membentuk berbagai bentuk koloni yang dibedakan berdasar konfigurasi koralit. 2.2 Sistematika dan Karakteristik Karang Sistematika klasifikasi karang yang menjadi obyek penelitian dapat dilihat pada Tabel 1 dibawah ini. Tabel 1 Sistematika karang (Veron 1986) Kelas Ordo Sub-Ordo Familia Genus Species Anthozoa Scleractinia Archaecoenina Pocilloporidae Madracis M. Kirbyi Palauastrea Pocillopora P. Ramosa P. Damicornis P. Eydouxi P. Meandrina P. Verrucosa Seriatopora P. Woodjonesi S. Caliendrum S. Hystrix Stylophora S. Pistillata Pocilloporidae terdiri dari genus madracis, palauastrea, pocillopora, seriatopora dan stylophora yang semuanya dapat ditemukan di Indonesia. Berikut
9 ini adalah karakteristik dari family pocilloporidae dan genus-genusnya (Suharsono 1996, 2005; Veron 1986). Family Pocilloporidae Koloni bercabang atau submasive, ditutupi bintil-bintil disebut verrucosae. Koralit hampir tenggelam dan kecil. Kolumela berkembang dengan baik. Septa dua tingkat dan bergabung dengan kolumela. Diantara koralit dipenuhi duri-duri kecil. Genus Madracis Koloni merayap berupa lembaran atau membentuk pilar. Koralit cerioid (dinding dari koralit yang berdekatan menjadi satu) dengan sudut-sudut membulat dengan kolumela membentuk tonjolan. Jumlah septa sepuluh yang masing-masing menyatu dengan kolumela. Warna cenderung coklat atau hijau. Gambar 2 Genus madracis. Genus Palauastrea Koloni bercabang. Koralit membulat. Septa menyatu dengan kolumela membentuk tonjolan. Warna hijau kecoklatan dengan ujung cenderung memutih.