RANCANG BANGUN APLIKASI PENGHITUNGAN GROSS PRIMARY PRODUCTION (GPP) DARI DATA PENGINDERAAN JAUH BERBASIS DESKTOP TUGAS AKHIR Diajukan guna memenuhi sebagian persyaratan dalam rangka menyelesaikan Pendidikan Sarjana Strata Satu (S1) Program Studi Teknologi Informasi KOMANG GEDE KURNIADI NIM. 1104505079 JURUSAN TEKNOLOGI INFORMASI FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA 2015
PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam Tugas Akhir ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di perguruan tinggi lain, dan sepanjang pengetahuan saya tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan pada daftar pustaka. Denpasar, Juli 2015 Komang Gede Kurniadi ii
iii
iv
KATA PENGANTAR Puji syukur ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena atas rahmat-nya tugas akhir yang berjudul Rancang Bangun Aplikasi Penghitungan Gross Primary Production (GPP) dari Data Penginderaan Jauh Berbasis Desktop ini dapat terselesaikan. Hambatan yang ditemui dapat dilewati berkat dukungan dari berbagai pihak, ucapan terima kasih disampaikan kepada: 1. Bapak Prof. Ir. Ngakan Putu Gede Suardana, M.T., Ph.D, selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Udayana 2. Bapak Dr. Eng. I Putu Agung Bayupati, S.T., M.T. selaku Ketua Jurusan Teknologi Informasi Fakultas Teknik Universitas Udayana dan Dosen Pembimbing I. 3. Bapak Dr. Eng. I Dewa Nyoman Nurweda Putra, S.Si., M.Si. selaku Dosen Pembimbing II yang telah memberikan bimbingan selama pengerjaan tugas akhir ini. 4. Bapak Putu Wira Buana, S.Kom., M.T. selaku Dosen Pembimbing Akademik, Bapak/Ibu dosen pengajar dan pegawai di Jurusan Teknologi Informasi yang telah berjasa selama menempuh perkuliahan. 5. Bapak Abdul Rahman As-syakur yang senantiasa mendukung dan berbagi ilmu tentang penginderaan jauh. 6. Kedua orang tua, keluarga dan teman-teman seangkatan TI MMXI yang telah memberikan banyak dukungan moral, material dan spiritual selama masa perkuliahan. 7. Kepada seluruh pihak yang telah membantu baik itu secara langsung maupun tidak langsung. Semoga tulisan ini dapat bermanfaat dalam pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi kepada khalayak luas. Denpasar, Juli 2015 Komang Gede Kurniadi v
ABSTRAK Penghitungan Gross Primary Production (GPP) yang memanfaatkan data penginderaan jauh dapat dilakukan dengan software penginderaan jauh komersil. Penghitungan Gross Primary Production (GPP) pada software penginderaan jauh komersil dilakukan secara manual. Hal ini dikarenakan oleh software tersebut tidak menyediakan fungsi khusus untuk memungkinkan pengguna dapat menghitung Gross Primary Production (GPP). Pengguna diharuskan untuk menyusun sendiri rumus-rumus yang diperlukan untuk menghitung Gross Primary Production (GPP) ke dalam aplikasi. Penelitian ini bertujuan untuk merancang sebuah aplikasi penginderaan jauh yang khusus digunakan untuk melakukan penghitungan Gross Primary Production (GPP) untuk Kota Denpasar. Aplikasi yang dibuat adalah aplikasi yang dapat menerima input berupa data penginderaan jauh yaitu citra Satelit Landsat 8 OLI and TIRS dan file metadata. Rumus-rumus dan data pendukung yang diperlukan untuk menghitung Gross Primary Production (GPP) diimplementasi pada aplikasi untuk dapat mengolah citra secara otomatis. Operasi pengolahan citra dilakukan secara otomatis oleh aplikasi dari membaca file input, koreksi reflektan, menghitung indeks vegetasi, melakukan threshold indeks vegetasi, dan menghitung Gross Primary Production (GPP). Fitur-fitur tambahan seperti parsing data dari file metadata, cropping, masking dan zoom juga disediakan pada aplikasi untuk mempermudah pengguna dalam melakukan penghitungan Gross Primary Production (GPP). Hasil penghitungan GPP untuk Kota Denpasar yang menggunakan data penginderaan jauh dari Satelit Landsat 8 OLI and TIRS yang diakuisisi pada Tanggal 25 April 2013 adalah 3909.93 gc/m 2 /tahun pada nilai maksimum. Titik maksimum ini berada di Kawasan Taman Hutan Raya (TAHURA) Ngurah Rai. Titik minimum berada pada 133.038 gc/m 2 /tahun yang terletak di kawasan Pulau Serangan. Kata Kunci: Penginderaan jauh, Gross Primary Production, Denpasar. vi
ABSTRACT Calculation of Gross Primary Production (GPP) that utilize remote sensing data is can be done on commercial remote sensing software. Calculation of Gross Primary Production (GPP) is can be done by manual method on commercial remote sensing software. This is caused by the commercial remote sensing software does not provides a specific feature that allow the user to do Gross Primary Production (GPP) calculation. The user has to input the formulas that is required to do a Gross Primary Production (GPP) calculation to the software. This research is aimed to to build a remote sensing software that can be specifically used to do a Gross Primary Production (GPP) calculation for Denpasar area. This software accepts remote sensing data as an input, such as satellite image from Landsat 8 OLI and TIRS and metadata file. The formulas and supporting data that required on Gross Primary Production (GPP) calculation are implemented on software in order to make an automatic image processing software. Automatic image processing operations on software are reading input file, reflectance correction, vegetation index calculation, thresholding on vegetation index, and Gross Primary Production (GPP) calculation. There also some additional feature on this software such as automatic data parsing from metadata file, cropping, masking and zoom that could help user to do the Gross Primary Production (GPP) calculation. Gross Primary Production (GPP) calculation for Denpasar area that utilize remote sensing data from Landsat 8 OLI and TIRS that acquired on April 25 th 2013 is 3909.93 gc/m 2 /year on maximum point. This maximum point is located on Taman Hutan Raya (TAHURA) Ngurah Rai area. Minimum point is 133.038 gc/m 2 /year that located on Serangan Island. Keywords: Remote Sensing, Gross Primary Production, Denpasar. vii
DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... i PERNYATAAN... ii LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR... iii BERITA ACARA TUGAS AKHIR... iv KATA PENGANTAR... v ABSTRAK... vi ABSTRACT... vii DAFTAR ISI... viii DAFTAR GAMBAR... x DAFTAR TABEL... xii DAFTAR KODE PROGRAM... xiii BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Rumusan Masalah... 2 1.3 Tujuan... 2 1.4 Manfaat... 2 1.5 Batasan Masalah... 3 1.6 Sistematika Penulisan... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 4 2.1 State of the Art... 4 2.2 Penginderaan Jauh... 5 2.2.1 Karakteristik spektral dari vegetasi... 8 2.2.2 Indeks Vegetasi... 9 2.2.3 Koreksi Reflektan... 11 2.2.4 Satelit Landsat... 12 2.2.5 GeoTIFF... 18 2.3 Gross Primary Production (GPP)... 18 2.3.1 Fraction Absorbed Photosynthetically Active Radiation (fapar)... 19 2.3.2 Photosynthetically Active Radiation (PAR)... 20 2.4 MATLAB... 21 BAB III PERANCANGAN SISTEM... 26 3.1 Alur Penelitian... 26 3.2 Data... 26 3.2.1 Sumber data... 27 3.2.2 Medode pengumpulan data... 30 3.3 Kebutuhan Hardware dan Software... 30 3.4 Gambaran Umum Sistem... 30 3.4.1 Input Citra Satelit... 31 3.4.2 Input File Metadata... 39 3.4.3 Penghitungan NDVI... 43 3.4.4 Masking NDVI... 47 3.4.5 Thresholding NDVI... 50 3.4.6 Penghitungan fapar... 51 viii
3.4.7 Penghitungan PAR... 52 3.4.8 Proses Penghitungan GPP... 54 3.4.9 Output hasil penghitungan GPP... 57 BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN... 58 4.1 Konfigurasi Hardware... 58 4.2 Konfigurasi Software... 58 4.3 Hasil Perancangan... 59 4.3.1 Uji Coba Antarmuka... 59 4.3.2 Analisa Hasil Pengolahan Citra... 72 4.4 Analisa Kompleksitas Waktu dan Kompleksitas Ruang... 87 4.4.1 Analisa Kompleksitas Waktu dan Kompleksitas Ruang pada Proses Input Citra Visible Red Band... 87 4.4.2 Analisa Kompleksitas Waktu dan Kompleksitas Ruang pada Proses Input Citra Near Infrared Band... 87 4.4.3 Analisa Kompleksitas Waktu dan Kompleksitas Ruang pada Proses Cropping Citra Visible Red Band... 88 4.4.4 Analisa Kompleksitas Waktu dan Kompleksitas Ruang pada Proses Cropping Citra Near Infrared Band... 89 4.4.5 Analisa Kompleksitas Waktu dan Kompleksitas Ruang pada Proses Koreksi Reflektan Citra Visible Red Band... 90 4.4.6 Analisa Kompleksitas Waktu dan Kompleksitas Ruang pada Proses Koreksi Reflektan Citra Near Infrared Band... 91 4.4.7 Analisa Kompleksitas Waktu dan Kompleksitas Ruang pada Proses Penghitungan NDVI... 92 4.4.8 Analisa Kompleksitas Waktu dan Kompleksitas Ruang pada Proses Masking NDVI... 92 4.4.9 Analisa Kompleksitas Waktu dan Kompleksitas Ruang pada Proses Thresholding NDVI... 93 4.4.10 Analisa Kompleksitas Waktu dan Kompleksitas Ruang pada Proses Penghitungan fapar... 94 4.4.11 Analisa Kompleksitas Waktu dan Kompleksitas Ruang pada Proses Penghitungan GPP... 95 BAB V PENUTUP... 96 5.1 Simpulan... 96 5.2 Saran... 97 DAFTAR PUSTAKA... 98 ix
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Skema Penginderaan Jauh... 5 Gambar 2.2 Spekrum Contoh Tipe Tutupan Lahan dan Band Landsat TM/ETM... 8 Gambar 2.3 Reflektansi dan transmitansi spektrum dari daun sehat... 9 Gambar 2.4 Ilustrasi NDVI oleh Robert Simmon... 10 Gambar 2.5 Satelit Landsat 8... 12 Gambar 2.6 Band Coastal/Aerosol Landsat 8... 14 Gambar 2.7 Band Visible Blue Landsat 8... 14 Gambar 2.8 Band Visible Green Landsat 8... 15 Gambar 2.9 Band Visible Red Landsat 8... 15 Gambar 2.10 Band Near Infrared Landsat 8... 16 Gambar 2.11 Band SWIR 1 dan SWIR 2 Landsat 8... 16 Gambar 2.12 Band Panchromatic Landsat 8... 17 Gambar 2.13 Band Cirrus Landsat 8... 17 Gambar 2.14 Band TIR 1 dan TIR 2 Landsat 8... 18 Gambar 2.15 Jendela utama MATLAB... 21 Gambar 2.16 Tampilan citra pada jendela Figure 1 MATLAB... 23 Gambar 2.17 Tampilan GUI Editor MATLAB... 24 Gambar 2.18 Contoh GUI sederhana pada MATLAB... 25 Gambar 3.1 Fitur search berdasarkan letak geografis... 27 Gambar 3.2 Fitur filter tanggal akuisisi data... 28 Gambar 3.3 Daftar arsip data set Satelit Landsat... 28 Gambar 3.4 Daftar hasil pencarian data... 29 Gambar 3.5 Pilihan pengunduhan data... 29 Gambar 3.6 Gambaran umum aplikasi penghitungan GPP... 31 Gambar 3.7 Activity Diagram proses input citra satelit band Visible Red... 32 Gambar 3.8 Flowchart input citra satelit untuk band Visible Red... 33 Gambar 3.9 Activity Diagram proses input citra satelit band Near Infrared... 36 Gambar 3.10 Flowchart input citra satelit untuk band Near Infrared... 39 Gambar 3.11 Activity Diagram proses proses input file metadata dan parsing value... 40 Gambar 3.12 Flowchart proses proses input file metadata dan parsing value... 41 Gambar 3.13 Activity Diagram proses penghitungan NDVI... 44 Gambar 3.14 Flowchart proses koreksi reflektan dan penghitungan NDVI... 45 Gambar 3.15 Activity Diagram proses Masking NDVI... 48 Gambar 3.16 Flowchart proses Masking NDVI... 49 Gambar 3.17 Flowchart proses Thresholding NDVI... 50 Gambar 3.18 Flowchart proses penghitungan fapar... 52 Gambar 3.19 Flowchart proses penghitungan PAR... 53 Gambar 3.20 Activity Diagram proses penghitungan GPP... 55 Gambar 3.21 Flowchart proses penghitungan GPP... 56 Gambar 4.1 Tampilan Main Window aplikasi penghitungan Gross Primary Production... 59 x
Gambar 4.2 Tampilan GPP Window aplikasi penghitungan Gross Primary Production... 61 Gambar 4.3 Tampilan Jendela Dialog Input Citra... 62 Gambar 4.4 Tampilan Jendela Dialog Input File Metadata... 63 Gambar 4.5 Tampilan filepath file masing-masing file input pada textbox... 63 Gambar 4.6 Tampilan citra input dan nilai-nilai variabel koreksi reflektan... 64 Gambar 4.7 Proses cropping pada citra input... 66 Gambar 4.8 Hasil proses cropping pada citra input... 66 Gambar 4.9 Tampilan citra NDVI pada panel gambar... 67 Gambar 4.10 Tampilan nilai minimum dan maksimum NDVI... 68 Gambar 4.11 Tampilan proses masking pada panel gambar NDVI... 69 Gambar 4.12 Tampilan hasil proses masking pada panel gambar NDVI... 70 Gambar 4.13 Tampilan citra GPP pada panel gambar... 71 Gambar 4.14 Tampilan keterangan nilai GPP... 72 Gambar 4.15 Citra Visible Red Band dan Near Infrared Band... 73 Gambar 4.16 Nilai Digital Number citra Visible Red Band... 73 Gambar 4.17 Nilai Digital Number citra Near Infrared Band... 74 Gambar 4.18 Nilai piksel citra Visible Red Band setelah proses koreksi reflektan... 75 Gambar 4.19 Nilai piksel citra Near Infrared Band setelah proses koreksi reflektan... 76 Gambar 4.20 Nilai piksel citra NDVI... 77 Gambar 4.21 Tampilan citra NDVI pada aplikasi... 77 Gambar 4.22 Proses pembuatan mask pada aplikasi... 78 Gambar 4.23 Citra Mask... 78 Gambar 4.24 Threshold NDVI... 79 Gambar 4.25 Thresholded NDVI... 80 Gambar 4.26 Masked NDVI... 81 Gambar 4.27 Nilai piksel NaN Masked NDVI... 82 Gambar 4.28 Citra fapar... 83 Gambar 4.29 Citra GPP... 84 Gambar 4.30 Tampilan citra GPP pada aplikasi... 85 Gambar 4.31 Tampilan citra GPP Kota Denpasar... 86 xi
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Korelasi antara nilai NDVI terhadap objek pada permukaan bumi... 11 Tabel 2.2 Perbedaan band Landsat 7 ETM+ dengan Landsat 8... 13 Tabel 2.3 Data nilai ISR perbulan di Kota Denpasar... 20 Tabel 4.1 Hasil Analisa Kompleksitas Waktu dan Ruang pada Proses Input Citra Visible Red Band... 87 Tabel 4.2 Hasil Analisa Kompleksitas Waktu dan Ruang pada Proses Input Citra Near Infrared Band... 88 Tabel 4.3 Hasil Analisa Kompleksitas Waktu dan Ruang pada Proses Cropping Citra Visible Red Band... 89 Tabel 4.4 Hasil Analisa Kompleksitas Waktu dan Ruang pada Proses Cropping Citra Near Infrared Band... 89 Tabel 4.5 Hasil Analisa Kompleksitas Waktu dan Ruang pada Proses Koreksi Reflektan Citra Visible Red Band... 90 Tabel 4.6 Hasil Analisa Kompleksitas Waktu dan Ruang pada Proses Koreksi Reflektan Citra Near Infrared Band... 91 Tabel 4.7 Hasil Analisa Kompleksitas Waktu dan Ruang pada Proses Penghitungan NDVI... 92 Tabel 4.8 Hasil Analisa Kompleksitas Waktu dan Ruang pada Proses Masking NDVI... 93 Tabel 4.9 Hasil Analisa Kompleksitas Waktu dan Ruang pada Proses Thresholding NDVI... 93 Tabel 4.10 Hasil Analisa Kompleksitas Waktu dan Ruang pada Proses Penghitungan fapar... 94 Tabel 4.11 Hasil Analisa Kompleksitas Waktu dan Ruang pada Proses Penghitungan GPP... 95 xii
DAFTAR KODE PROGRAM Kode program 2.1 Fungsi imread... 22 Kode program 2.2 Fungsi imshow... 23 Kode Program 3.1 Fungsi open file dialog untuk band Visible Red... 34 Kode Program 3.2 Fungsi penggabungan variabel pathname dan filename dari band Visible Red... 34 Kode Program 3.3 Fungsi menampilkan filepath band Visible Red pada textbox... 34 Kode Program 3.4 Fungsi menampilkan citra band Visible Red pada GUI... 35 Kode Program 3.5 Fungsi open file dialog band Near Infrared... 37 Kode Program 3.6 Fungsi penggabungan variabel pathname dan filename dari band Near Infrared... 38 Kode Program 3.7 Fungsi menampilkan filepath file band Near Infrared pada textbox... 38 Kode Program 3.8 Fungsi menampilkan citra band Visible Red pada GUI... 38 Kode Program 3.9 Fungsi open file dialog band Near Infrared... 42 Kode Program 3.10 Fungsi penggabungan variabel pathname dan filename dari file metadata... 42 Kode Program 3.11 Fungsi parsing nilai ketinggian matahari dari file metadata... 42 Kode Program 3.12 Fungsi koreksi reflektan untuk citra band Visible Red dan band Near Infrared... 45 Kode Program 3.13 Fungsi penghitungan NDVI... 46 Kode Program 3.14 Fungsi menampilkan citra NDVI pada GUI... 47 Kode Program 3.15 Fungsi roipoly... 49 Kode Program 3.16 Fungsi Masking NDVI... 50 Kode Program 3.17 Fungsi penghitungan fapar... 52 Kode Program 3.18 Fungsi penghitungan PAR... 54 Kode Program 3.19 Fungsi penghitungan GPP... 57 xiii