2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Sedimen Dasar Laut Sedimen adalah kerak bumi (regolith) yang ditransportasikan melalui proses hidrologi dari suatu tempat ke tempat yang lain, baik secara vertikal maupun secara horizontal. Seluruh permukaan dasar lautan ditutupi oleh partikel-partikel sedimen yang diendapkan secara perlahan dalam jangka waktu berjuta-juta tahun (Garrison, 2005). Ukuran-ukuran partikel sedimen merupakan salah satu cara yang mudah untuk menetukan klasifikasi sedimen seperti pada Tabel 1. Tabel 1. Ukuran Besar Butir untuk Sedimen Menurut Skala Wentworth Sumber : Wibisono (2005) Klasifikasi berdasarkan komposisi sedimen juga dapat dilakukan dengan menggunakan diagram segitiga seperti pada Gambar 1 diagram tersebut menggunakan persentasi dan perbandingan diantara pasir (sand), lumpur (silt) dan 4
5 liat (clay) sehingga memudahkan dalam proses klasifikasi. Parameter seperti ukuran butiran sedimen, relief dasar perairan, serta sejumlah variasi lainnya pada dasar perairan mempengaruhi proses hamburan sinyal akustik (Thorne et al. 1988; Richardson & Briggs 1993; Chakraborty et al. 2007). Gambar 1. Diagram Segitiga Shepard (1954) 2.2. Metode Akustik untuk Klasifikasi Dasar Perairan Hidroakustik merupakan ilmu yang mempelajari gelombang suara dan perambatannya dalam suatu medium, dalam hal ini medium yang digunakan adalah air. Data hidroakustik merupakan data hasil estimasi echo counting dan echo integration melalui proses pendeteksian bawah air (Manik, 2009). Teknik echosounder single beam akustik untuk klasifikasi dasar perairan telah banyak dilakukan, baik menggunakan pengukuran yang berhubungan dengan tipe substrat khususnya (Siwabessy, 2005). Teknik akustik digunakan sebagai pelengkap dari sistem berbasis satelit udara, karena ketika didalam perairan terdapat faktor pembatas seperti kedalaman air dan kekeruhan yang
6 membatasi ruang lingkup penginderaan optik. Banyak penelitian yang menggunakan sonar untuk memetakan dasar laut dan menentukan sifat fisik dari sedimen itu sendiri, selain itu sonar dengan frekuensi tinggi mampu mengukur dan mengetahui relief dasar laut. Side Scan Sonar (SSS) juga digunakan untuk menggambarkan dasar laut, selain itu dapat pula digunakan mengukur batimetri dengan menggunakan teknik interferometrik (Jackson and Richardson, 2001). Metode akustik untuk klasifikasi dasar perairan menggunakan sinyal hambur balik (acoustic backscatter) untuk memperkirakan kekerasan (hardness atau E2) dari dasar laut, dan pengukuruan terhadap waktu lamanya echo kembali untuk memperkirakan kekasaran (roughness atau E1) dasar laut. Jenis echosounder yang digunakan memiliki beamwidth 12-75 0 agar mendapatkan informasi mengenai kekerasan dan kekasaran (Siwabessy, 2005). Kekasaran permukaan dasar laut merupakan variabel penting dalam kaitannya dengan intensitas backscatter akustik dengan frekuensi tinggi. Pengaruh dari kekasaran pada intensitas backscatter bervariasi tergantung tipe, magnitudo, dan orientasi dari kekasaran dasar perairan (Flood and Ferrini, 2005). Pantulan sinyal akustik di permukaan dasar laut terhadap dasar perairan yang heterogen dapat dilihat pada Gambar 2. Gambar 2. Pantulan Sinyal Akustik terhadap Dasar Perairan yang Heterogen
7 Bentuk echo yang dipantulkan akan sangat bergantung dengan kekerasan dan kekasaran dasar laut. Permukaan sedimen yang kasar akan memantulkan energi hambur balik yang lebih dibandingkan pada permukaan sedimen yang halus, sehingga permukaan yang lebih kasar akan menghasilkan puncak yang rendah dan ekor yang lebih panjang dibandingkan dengan permukaan sedimen yang halus dengan komposisi yang sama (Siwabessy, 2005). Hubungan lain yang dapat dijelaskan antara kekasaran (roughness atau E1) dan kekerasan (hardness atau E2) dapat memperlihatkan jenis atau tipe sedimen yang terdapat di suatu perairan dimana semakin besar kedua nilai tersebut maka jenis sedimen pada suatu perairan sebagian besar berupa substrat keras. Hubungan kekasaran dan kekerasan pantulan dasar perairan dapat dilihat pada Gambar 3. Gambar 3. Pantulan Dasar Perairan First Echo (E1) dan Second Echo (E2) (Hamilton (2001) dalam Siwabessy, 2005) Adapun hubungan pantulan dasar perairan terhadap tipe dasar perairan yang berbeda (batu, kerikil, pasir dan lumpur) ditunjukkan pada Gambar 4.
8 Gambar 4. Hubungan Sudut Datang dan Pantulan Dasar berbagai Tipe Dasar Perairan 2.3. Split Beam Echosounder Simrad EY 60 Echosounder bim terbagi (split beam) memiliki transduser yang dibagi menjadi empat kuadran, yaitu : FP (Fore Port), FS (Fore Starboard), AP (Aft Port) dan AS (Aft Starboard). Transmisi pulsa pada echosounder ini diterapkan untuk seluruh transduser tetapi sinyal yang diterima oleh masing-masing kuadran diproses secara terpisah. Target strength dari objek diestimasikan dari sensitivitas transduser dalam arah yang relevan. Sinyal yang terpantul dari target diterima secara terpisah oleh masing-masing kuadran. Selama penerimaan berlangsung, keempat bagian transduser menerima echo dari target, dimana target yang terdeteksi oleh transduser terletak pada pusat dari bim suara dan echo dari target akan diterima oleh keempat bagian transduser
9 pada waktu bersamaan. Jika target yang terdeteksi tidak terletak tepat pada sumbu pusat dari bim suara, maka echo akan diterima lebih dulu oleh bagian transduser yang paling dekat dari target atau dengan mengisolasi target dengan menggunakan output dari full beam (MacLennan and Simmonds, 2005). Instrumen yang digunakan dalam penelitian ini adalah Simrad EY 60 yang merupakan echosounder tipe surat terbagi (split beam). Sistem surat terbagi menggunakan transduser penerima yang memiliki empat kuadran, yakni : fore, aft, port, dan starboard. Menurut buku manual Simrad (1993), pada prinsipnya tranducer split beam terdiri dari empat kuadran, yaitu : Fore (bagian depan), Aft (bagian belakang), Port (sisi kiri kapal) dan Starboard (sisi kanan kapal) (Gambar 5). Gambar 5. Skema Transducer Split Beam (Simrad, 1993) Split beam merupakan metode baru yang dikembangkan untuk memperbaiki kelemahan dari metode sebelumnya seperti single beam dan dual beam. Perbedaan split beam dengan metode sebelumnya terdapat pada konstruksi transduser yang digunakan, dimana pada echosounder ini transduser dibagi dalam empat kuadran. Pemancaran gelombang suara dilakukan dengan full beam yang merupakan penggabungan dari keempat kuadran dalam pemancaran secara simultan. Selanjutnya, sinyal yang memancar kembali dari target diterima oleh
10 masing-masing kuadran secara terpisah, output dari masing-masing kuadran kemudian digabungkan lagi untuk membentuk suatu full beam dengan dua set split beam. Target tunggal diisolasi dengan menggunakan output dari full beam sedangkan posisi sudut target dihitung dari kedua set split beam. Selama transmisi, transmitter mengirim daya akustik ke semua bagian transduser pada waktu yang bersamaan. Sinyal yang terpantul dari target diterima secara terpisah oleh masing-masing kuadran. Selama penerima berlangsung keempat bagian transduser menerima gema dan target, dimana target yang terdeteksi oleh transduser terletak pada pusat dari surat suara dan gema dari target akan dikembalikan dan diterima oleh keempat bagian pada waktu yang bersamaan. Target yang terdeteksi tidak terletak tepat pada sumbu pusat surat suara, maka gema yang kembali akan diterima lebih dulu oleh bagian transduser yang paling dekat dari target atau dengan mengisolasi target dengan menggunakan output dari surat penuh (full beam) (Simrad, 1993). Split beam Simrad EY 60 scientific echo soundrer system merupakan instrumen hidroakustik yang paling baru dan merupakan instrument yang bersifat portable sehingga memudahkan untuk dibawa. Simrad EY 60 memiliki seperangkat alat yang terdiri dari transducers, general purpose transceiver (GPT), laptop dan global positioning system (GPS) yang terhubung dan semuanya disambungkan dengan sumber energi yang berasal dari baterai. Pantulan sidelobes dari permukaan maupun dari dasar perairan merupakan masalah utama yang ditemukan pada perairan dangkal saat dilakukan horizontal bim. Sistem tranducers baru pada Simrad EY 60 memiliki keuntungan dengan sidelobes yang lebih kecil. Simrad EY 60 disebut sebagai scientific echo.
11 Simrad EY 60 disebut sebagai scientific echosounder karena konsep baru yang digunakan pada receiver memungkinkan alat ini mencapai rentang dinamis sampai dengan 160 db. Sounder dapat beroperasi pada tiga frekuensi sebesar 12, 38 dan 120 khz. Keunikan lain dari alat ini adalah kemampuannya untuk mengamati posisi horizontal dari ikan yang berada pada bim, hal ini memungkinkan peneliti untuk mempelajari tingkah laku ikan. Selain itu memiliki beberapa keistimewaan diantaranya memiliki tampilan echogram yang baik dengan sistem multi frekuensi. Alat ini mampu menganalisis dengan lapisan (layer) yang tidak terbatas sehingga memudahkan untuk analisis biomassa dan target strength ikan (www.simrad.com). Gambar 6. Tampilan Layar Echogram 2.4. Sinyal Echo Dasar Perairan Informasi tentang jenis lapisan dasar perairan dan vegetasi bawah air disandikan dalam sinyal echo. Sinyal tersebut dapat disimpan dan diperoleh secara bersamaan dengan data GPS. Sinyal yang disandikan dan informasi tentang dasar perairan dapat diproyeksikan ke dalam bentuk grafik digital.
12 Proses verifikasi hasil sampling fisik dasar perairan harus ada dan pengamatan dilakukan oleh penyelam atau kamera bawah air dan data yang diperoleh harus dicatat sebagai data akustik. Setelah diverifikasi, hasil disimpan sehingga jenis dasar perairan dapat diketahui dan dapat dibandingkan dengan data dari sinyal echo (Burczynski, 2002). Parameter sinyal echo selain tergantung pada jenis dasar perairan khususnya kekasaran (roughness) dan kekerasan (hardness) juga dipengaruhi oleh parameter dari alat, yaitu frekuensi seperti beamwidth transducer dan lain-lain. Oleh karena itu, hasil verifikasi akan sah hanya untuk sistem akustik yang digunakan untuk verifikasi (Burczynski, 2002). Perkiraan bahwa bagian dasar perairan keras akan menghasilkan echo yang tajam dengan amplitudo yang tinggi sementara bagian dasar perairan lunak akan menghasilkan echo yang panjang dengan amplitudo yang lebih rendah. Fenomena ini dapat diamati pada osiloskop yang ada pada echogram di echosounder selama survei (Gambar 7). Gambar 7. Contoh Jejak Dasar Perairan Kasar dan Lunak pada Perekaman Hitam dan Putih (Burczynski, 2002) Gambar 8 memperlihatkan contoh echo dari dasar perairan yang keras dan lunak. Nilai amplitudo dari echo dikuadratkan melalui pengintegrasian echo dan
13 kemudian kurva kumulatif dari echo dasar perairan. Perbedaan yang nyata akan terlihat dari bentuk yang berbeda antara energi kumulatif dari sinyal dasar perairan yang keras dan lunak. Dasar perairan yang keras akan menghasilkan kurva dengan peningkatan yang tajam sementara bagian dasar perairan yang lunak akan menghasilkan kurva yang meningkat dengan kemiringan yang relatif rendah. Echo yang berasal dari dasar perairan yang ditampilkan dalam bentuk energi kumulatif dapat disimpan dalam database. Kemudian untuk jenis yang tidak diketahui dapat diimplementasikan sebagai curve fitness algorithm dan mengenali jenis dasar perairan sesuai dengan bentuk kurva energi kumulatif. Gambar 8. Bentuk Kurva Dasar Perairan dari Dasar Perairan Keras dan Lunak; (a) Amplitudo Sinyal Echo (b) Kurva Energi Kumulatif (Burczynski, 2002) Amplitudo dan bentuk sinyal akustik yang dipantulkan dari dasar laut ditentukan oleh: kekasaran dasar laut, perbedaan densitas antara air dan dasar laut, dan reverberasi di dalam substrat. Klasifikasi dasar laut memerlukan sistem akuisisi data akustik dan suatu algoritma yang menganalisis data, menentukan jenis dasar laut dan menghubungkannya dengan hasil klasifikasi akustik terhadap sifat fisik sedimen laut (Tsemahman et al. 1997).
14 Penggunaan sistem klasifikasi dasar laut telah terintegrasi dengan kombinasi perangkat keras dan perangkat lunak. Pengolahan data biasanya tergantung pada ekstraksi fitur karakteristik dari echo dasar laut (Gambar 10). Klasifikasi memasukkan semacam teknik penyaringan untuk kelompok echo dengan fitur yang serupa. Gambar 9. Echo yang menunjukkan Jejak dari Pulsa yang dikirim dan dipantulkan dari Dasar Laut (Collins dan McConnaughey, 1998) Durasi echo mempengaruhi berbagai macam fitur yang selain tergantung pada bentuk echo, juga tergantung pada jenis sedimen dan kedalaman. Nilai amplitudo backscatter tergantung pada jenis sedimen, grazing angle dan jarak. Ketergantungan pada grazing angle dan jarak harus dikurangi untuk klasifikasi dasar perairan (Preston et al. 2004).