LIDAR (Light Detection And Ranging) : Sebuah Teknologi Geospasial

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. Teknologi LIDAR memiliki kegunaan dalam bidang geomatika, arkeologi, geografi, geologi, geomorfologi, seismologi, fisik atmosfer, dan lain-lain. Sebutan lain untuk LIDAR adalah ALSM (Airborne Laser Swath Mapping) dan altimetri laser. Akronim LADAR (Laser Detection and Ranging) sering digunakan dalam konteks militer. Sebutan radar laser juga digunakan tapi tidak berhubungan karena menggunakan cahaya laser dan bukan gelombang radio yang merupakan dasar dari radar konvensional. LIDAR menggunakan cahaya inframerah, ultraviolet, tampak, atau dekat dengan objek gambar dan dapat digunakan untuk berbagai sasaran, termasuk benda-benda non-logam, batu, hujan, senyawa kimia, aerosol, awan dan bahkan molekul tunggal. Sebuah sinar laser dapat digunakan untuk memperoleh fitur peta fisik dengan resolusi sangat tinggi. LIDAR telah digunakan secara luas untuk penelitian atmosfer dan meteorologi. Instrumen LIDAR dipasang ke pesawat dan satelit yang digunakan untuk survei dan pemetaan . Contoh terkini adalah Eksperimen NASA Advanced Research Lidar. Di samping itu LIDAR telah diidentifikasi oleh NASA sebagai teknologi kunci untuk memungkinkan pendaratan presisi paling aman untuk masa depan robot dan kendaraan pendaratan berawak ke bulan. Selain itu, ada berbagai macam aplikasi dari LIDAR, seperti yang sering disebutkan dalam Program Dataset Nasional LIDAR, USA .

 

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.

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. 

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. 

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. 

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. 

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.

Monitoring dan Supporting Teknis.

Secara teoritis LIDAR terdiri dari tiga komponen yaitu :

•   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 tertentu. ketika melakukan survey LIDAR. Penentuan posisi dilakukan secara differensial sehingga bisa 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).

•   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.

•   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:

•   Kekuatan sinar laser yang dihasilkan

•   Cakupan dari pancaran sinar gelombang laser

•   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.

Pengukuran 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.

                                      

Pada wahana yang dipilih (Pesawat terbang) dipasang Laser Scanner, GPS, dan INS. Berdasarkan skala produk yang diinginkan dan luas cakupan, maka dapat ditentukan jalur terbang. Pada jalur terbang yang telah ditentukan tersebut pesawat melakukan pemotretan/ penyiaman (scanning). Nah, pada saat laser scanner melakukan penyiaman sepanjang jalur terbang, pada setiap interval waktu tertentu direkam posisinya (menggunakan GPS) dan orientasinya (menggunakan INS). Proses ini dilakukan sampai seluruh jalur terbang yang direncanakan dapat disiam. Pada tahap pemrosesan datanya dapat dibedakan dalam 3 bagian, yaitu pemrosesan data GPS, INS, dan LIDAR. Pemrosesan GPS dan INS dilakukan terpisah secara post processing sehingga didapatkan posisi dan orientasi Laser scanner sepanjang trayektori (lintasan jalur terbang).

                                  

Prinsip pemrosesan signal radar dilakuan untuk menentukan jarak antara Laser Scanner dengan obyek (misal atap gedung. Hal yang cukup menarik disini adalah akan ditemukan 4 sistem koordinat, yaitu: Sistem koordinat receiver GPS, Sistem koordinat INS, Sistem koordinat Laser Scanner, dan Sistem koordinat peta. Dalam konteks fotogrametri, ke-4 sistem kordinat tersebut dapat dihubungkan dalam bentuk vektor. Vektor system koordinat peta merupakan vektor resultan penjumlahan vektor sistem koordinat receiver GPS dengan INS dan Laser Scannner.

Data awal setelah pengukuran Lidar yang didapatkan berupa :

1.  Koordinat titik kontrol (BM) pengukuran dilapangan menggunakan GPS Geodetik ( Adjustment report) dan hasil GPS kinematik pesawat.

2.  RAW data Lidar dalam format asli system LAS file

3.  Image photo berwarna medium format metric dalam format digital

4.  Peta jalur terbang.

1.  Apakah Lidar Mapping

Lidar kependekan dari : Light Detection And Ranging, yang diartikan(secara terjemahan bebas) adalah pengenalan obyek dari udara(airborne) menggunakan sinar(laser) dan pengukuran jarak dari sensor terhadap obyek yang akan dikenali.

Sinar Laser adalah sinar yang mempunyai gelombang tidak tampak Infrared yang mempunyai panjang gelombang sekitar 1000 nanometer, karena spesifikasinya tersebut, maka laser bisa menembus celah dedaunan untuk mencapai permukaan tanah dan dipantulkan kembali untuk ditangkap oleh sensor laser untuk dicatat beda waktu yang digunakan mulai keluar dari sensor sampai kembali ditangkap sensor. Sehingga jarak yang didapat atau disebut dengan Range merupakan separoh waktu pergi-pulang dikalikan dengan kecepatan rambat gelombang Laser yang digunakan. Sinar laser yang digunakan harus tidak berbahaya terhadap mata manusia(eye safe).

Apabila posisi kordinat dan elevasi dari sensor Laser diketahui(dengan technologi GPS/INS), maka setiap obyek yang memantulkan sinar laser tersebut bisa diketahui posisinya dan elevasinya terhadap bidang Referensi yang digunakan.

Sehingga setiap posisi koordinat dan elevasi tersebut bisa digunakan untuk pemetaan, khususnya pemetaan topografi yaitu memanfaatkan elevasi permukaan tanah yang memantulkan sinar laser sewaktu dilakukan scaning. Selanjutnya elevasi setiap titik dipermukaan tanah dapat digunakan untuk menyusun Model Permukaan Digital/MPDyang bermanfaat untuk modelling permukaan wilayah maupun pembuatan garis kontur untuk pemetaan.

Untuk menyajikan gambaran dari detail planimitris permukaan tanah seperti Jalan, Bangunan, Sungai, jalur Transmisi, tutupan lahan seperti jenis vegetasi, wilayah pertanian, perkebunan, budidaya, tambang, wilayah tubuh air dls, dilakukan dengan cara menggambar diatas Foto udara digital sebagai kelengkapan system Lidar. 

2.  Apa Komponen system Lidar

Terdapat 3 komponen utama system Lidar yaitu : Laser generator-GPS/INS-Kamera digital.

Laser generator berfungsi untuk membidik obyek dari pesawat terbang dan mengukur waktu tempuh saat membidik obyek . Normalnya dilengkapi dengan unit perekam data. Sinar laser tersebut dibidikan secara tidak lengsung ke obyek diatas tanah, melainkan ditembakan melalui cermin yang digoyang sehingga akan membentuk bidikan kearah kanan-kiri dari sensor. Jika sensor bergerak karena dibawa oleh pesawat, maka hasil bidikan laser generator merupakan kumpulan titik dengan lebar tertentu(normalnya membentuk sudut 60º dari sumbu tegaknya) yang akan membentuk swath(lebar bidikan memanjang sesuai dengan arah gerakan terbang pesawat)GPS/INS digunakan untuk menentukan posisi dan penyimpangan sudut dari arah sumbu X, sumbu Y dan sumbu Z dari Laser generator agar setiap bidikan laser yang mengenai obyek bisa ditentukan koordinatnya(Lintang-Bujur) dan elevasinya dari referensi yang ditetapkan. Kamera digital yaitu kamera yang dapat merekam obyek yang dibidik sinar laser dengan lebar ckupan yang sama dengan cakupan swath sinar laser

3.  Apa yang dimaksud dengan Fullwaveform technology pada system Lidar dan apa keuntungannya digunakan di Indonesia

Sewaktu pelaksanaan scanning Lidar dengan cara membidikkan sinar laser ke arah obyek dipermukaan tanah, tiap bidikan yang mengenai obyek akan dipantulkan kembali ke laser generatornya, system seperti ini disebut leading edge technology. Sehingga dimungkinkan pantulan obyek pertama kembali ke generator yang disebut first return, diikuti system pantulan pada obyek terakhir yaitu permukaan tanah, dan return ke generator dan pantulan diantara first dan last return. System seperti ini adalah kebanyakan system Lidar pada umumnya. System Lidar lainnya adalah system yang disebut Fullwaveform technology, dimana setiap sinar Laser yang dipantulkan dan mengenai obyek akan terus lanjut pada obyek-obyek seterusnya sampai pada pantulan terakhir yang merupakan permukaan tanah. Sehingga setiap range dari bidikan akan mempunyai multiple wave untuk setiap obyek yang dilewati.

Kriteria last return yang berupa permukaan tanah adalah lamanya mengenai obyek yaitu 6 milisecond. Jika sinar laser mengenai obyek lebih dari 6 milisecond maka sinar harus kembali ke generator yang berararti adalah last return.

4.  Komponen system Lidar manakah yang menentukan ketelitian hasilnya

Kekuatan pancar sinar Laser dan akurasi waktu laser yang digunakan untuk mengukur waktu tempuh akan menentukan akurasi range laser.  Akurasi GPS /INS akan menentukan akurasi posisi koordinat dan elevasi sensor yang berakibat pada akurasi obyek yang dibidik.

5.  Bisakah Lidar dilakukan pada malam hari atau menembus awan dan wilayah berair di tanah

Pelaksanaan akuisisi Lidar dapat dilakukan pada malam hari karena Lidar menggunakan energi sendiri berupa sinar Laser.  Sinar Laser tidak dapat menembus awan yang merupakan partikel air, berair, dimana sifat sinar Laser tidak dapat menembus badan air.  Dengan demikian apabila bidikan sinar Laser mengenai wilayah berair seperti pantai,danau,sungai lebar,wilayah rawa dsb, maka sinar laser dengan gelombang infrared tidak dapat menembus tubuh air.

6.  Apakah Lidar scanning bisa digunakan untuk Mapping bawah air

Bisa, dimana Lidar menggunakan sinar dengan panjang gelombang tertentu (normalnya sinar biru dengan panjang gelombang 300-400 micron yang dikombinasikan dengan sinar infrared.  Laser dengan menggunakn sinar infrared digunakan untuk mengetahui elevasi permukaan air,sedangkan lidar dengan sinar biru akan menembus tubuh air sampi dengan kedalaman tertentu sampai dengan permukaan dasar perairan. Sehingga kedalaman dasar perairan dapat diketahui untuk dipetakan.

7.  Apa yang dimaksudkan dengan point-cloud,bare-earth dari Lidar

Point cloud merupakan kumulan titik hasil bidikan laser pada Lidar scanning yang telah diolah sehingga mempunyai posisi koordinat dan elevasi sesuai dengan referensinya. Sedangkan Bare-earth adalah point cloud yang telah dipilah hanya pada permukaan tanah saja(titik2 permukaan tanah gundul)

       8.  Apa kegunaan foto digital pada Lidar Mapping 

      Foto digital pada Lidar mapping digunakan untuk :

     • Melengkapi garis batas permukaan tanah yang mempunyai beda elevasi menyolok seperti garis    pertemuan tebing, atau garis pada pematang yang berubah elevasinya secara drastis, yang disebut dengan breakline. Breaklini ini berfungsi untuk membentuk terrain atau garis kontur agar alami.

         •  Sebagai alat kontrol kualitas data Lidar

       • Sebagai pelengkap data elevasi sekiranya data lidar tidak dapat menembus vegetasi karena lebatnya vegetasi walaupun telah dilakukan cara scanning tertentu seperti cross run.

       •  Sebagai media untuk penggambaran unsur-unsur planimetrik seperti Jalan,sungai,tutupan lahan dsb yang dapat dilakukan secara monoskopik maupun stereoskopik 3D

        •  Sebagai data pelengkap untuk keperluan tertentu karena foto udara dapat menghasilkan Peta Foto yang lebih informatif dibandingkan dengan peta garis.

9.  Bisakah foto digital dilakukan bersamaan sewaktu akuisi data Lidar

Seharusnya foto udara digital dilakukan bersamaan dengan akuisisi Lidar agar lebih efisien dan memperoleh akurasi setara dengan hasil Lidar, yaitu georeferensi menggunakan data GPS/INS

10. Apakah persyaratan foto digital untuk Lidar Mapping

Sebaiknya foto udara dilakukan berdasarkan persyaratan Fotogrametry normal yaitu foto udara yang mempunyai pertampalan kedepan searah jalur terbang sebesar 60% atau lebih agar mempunyai daerah triplelap, dan pertampaln kesamping sebesar 30%. Tidak boleh terjadi gap antar foto maupun antar jalur terbang karena variasi skala wilayah bergunung.

11.  Bagaimana akuisisi Lidar dan foto digitalnya untuk daerah bergunung

Akuisi lidar bersama foto udara pada wilayah bergunung harus menggunakan system management berdasarkan predetermend position yang dikontrol v/h (variasi kecepatan terhadap elevasi terrain) menggunakan GPS komputer navigation.

12.  Bisakah data Lidar mencapai permukaan tanah jika wilayah yang di scanning adalah ber vegetasi cukup lebat

Salah satu perkiraan apakah Laser dapat menembus kelebatan vegetasi atau tidak, bisa dilakukan pemeriksaan dari bawah lingkungan vegetasi,jika seseorang dibawah lingkungan vegetasi masih dapat melihat sinar matahari, berarti Laser juga dapat menembusnya

13.  Apa yang dilakukan jika data Lidar tidak dapat mencapai permukaan tanah

Guna mengantisipasi tidak menembusnya sinar laser pada wilayah bervegetasi lebat, dilakukan Cross-run dengan arah penerbangan yang berbeda, sehingga beaya Lidar Mapping akan tergantung dari system akuisisinya yang akan menghasilkan akurasi tersendiri. Dengan beaya yang lebih murah, cross run tidak dilakukan sehingga potensi sinar laser tidak akan mencapai permukaan tanah dan akibatnya data elevasi yang diperoleh terbatas dan akhirnya akan memberikan hasil keluaran yang tidak sempurna. Hanya data2 laser diatas permukaan tanah yang kurang bermanfaat untuk topolah yang diperoleh.  Jika cross run telah dilakukan tetapi memang kelebatan vegetasi tidak dapat ditembus sinar laser,upaya terakhir adalah dengan menambahkan data elevasi secara fotogrametry yaitu dengan pasangan foto udara stereo3D. Ekstraksi tambahan titik elevasi dilakukan oleh system menggunakan Algoritma fotogrametry digital(piksel based)

14. Berapakah ketelitian elevasi hasil Lidar Mapping

 Faktor Impiris akurasi Lidar Mapping di Indonesia adalah sebagai berikut:   

  •  Akurasi Horisontal ± 20 cm  

  •  Akurasi elevasi ± 30cm