R R I. PENDAHULUAN II. TINJAUAN PUSTAKA

I. PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang.

Ketika melalui atmosfer, radiasi matahari akan mengalami proses refleksi dan absorbsi akibat adanya awan, debu, uap air, dan molekul udara sehingga jumlah yang benar-benar ditransmisi mencapai permukaan bumi dalam bentuk radiasi global yaitu gabungan radiasi langsung (direct) dan baur (diffuse) akan lebih kecil dari nilai 1368 W m-2.

Hutan adalah lahan yang secara alami maupun buatan terdiri dari pohon – pohon dengan penutupan tajuk lebih dari 10% dan mencakup area lebih dari 0,5 hektar. Pohon - pohon yang terdapat di area tersebut harus mencapai tinggi minimal 5 meter saat dewasa (Brown, 1997).

Jumlah cahaya di hutan tropis yang mencapai tanah sangat kecil. Kegelapan, kelembaban tinggi, dan bau busuk adalah karakteristik hutan hujan tropis. Radiasi surya amat diperlukan karena memiliki energi untuk fotosintesis. Energi ini terutama berasal dari cahaya tampak (0,4 – 0,7 μm).

Kesetimbangan radiasi pada vegetasi hutan adalah ρ + τ + α = 1, dimana α adalah proporsi kerapatan fluks radiasi matahari yang diabsorbsi oleh unit indeks luas daun, ρ adalah proporsi kerapatan fluks radiasi matahari yang direfleksikan oleh unit indeks luas daun atau kanopi, dan τ adalah proporsi kerapatan fluks radiasi matahari yang ditransmisikan oleh unit indeks luas daun (Impron, 1999). Besarnya transmisi dan refleksi bergantung pada sudut datang radiasi surya (Monteith, 1972).

Energi radiasi yang diserap oleh permukaan akan memanasi permukaan tersebut dan terjadilah konveksi ke atmosfer kemudian sebagian energi dihantarkan kelapisan yang lebih bawah. Pemanasan atmosfer terjadi terutama ditentukan oleh jumlah radiasi yang diterima oleh permukaan dan direspon permukaan terhadap radiasi yang diterima. Radiasi netto merupakan sumber utama bagi proses biologi dan fisika di bumi. Energi tersebut mencakup energi termal, mekanik dan kimia.

Radiasi dalam suatu kanopi ditentukan oleh beberapa faktor, seperti radiasi datang, karakter tegakan pohon, karakter permukaan tanah, dan arsitektur tegakan. Deskripsi terperinci mengenai pola distribusi radiasi pada kanopi hutan sulit dilakukan karena memerlukan pengukuran dan perhitungan mengenai detil arsitektur kanopi. Radiasi surya yang mencapai permukaan tajuk hutan

sebagian akan dipantulkan kembali ke atmosfer, sebagian diserap oleh lapisan tajuk dan sebagian lagi akan diteruskan ke lantai hutan (Imam Santosa, 1999).

1.2. Tujuan penelitian. Tujuan penelitian ini adalah :

Menduga nilai radiasi gelombang pendek yang diabsorbsikan menggunakan citra satelit Landsat ETM+ dan perangkat lunak Gap Light

Analyzer (GLA).

II. TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Radiasi Netto dan Albedo.

Radiasi netto (Rn) merupakan selisih antara gelombang pendek matahari dan gelombang panjang yang datang ke permukaan dengan gelombang pendek dan gelombang panjang yang keluar (hilang).

↑ ↓ ↑ ↓ − + − =RS RS RL RL Rn

Energi radiasi gelombang pendek yang dipantulkan oleh suatu permukaan ( ↑

S

R ),

dapat diduga dari sensor satelit yang menerima kisaran panjang gelombang pendek. Pada citra satelit Landsat kisaran panjang gelombang pendek diterima oleh kanal visible (1,2 dan 3). Persamaan yang digunakan mengikuti persamaan 1, dengan nilai QCAL, LMIN dan LMAX untuk band 1,2 dan 3.

Albedo (

α

) merupakan suatu perbandingan dari radiasi gelombang pendek yang dipantulkan oleh suatu permukaan dengan radiasi radiasi gelombang pendek yang datang pada permukaan tersebut.

α

s s

R

R

↑ ↓

=

Nilai Albedo untuk tiap-tiap penutupan lahan berbeda-beda. Tabel berikut adalah nilai masing albedo :

Tabel 1. Nilai Albedo untuk berbagai penutupan lahan.

Pendugaan albedo dari citra Landsat dipengaruihi oleh beberapa parameter seperti : Jarak astronomi bumi-matahari (d), Rata-rata nilai solar spectral irradiance pada kanal tertentu (

ESUN

_λ), Spektral Radiance (L_λ), dan sudut zenith matahari ( Cosθ), yang dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan :

2

.

.

.

L d

ESUN Cos

λ λ

π

α

θ

=

Menghitung nilai d2 perlu diketahui JD (julian Day) artinya jumlah hari dalam satu tahun yang dihitung dari tanggal 1 Januari sampai tanggal akuisisi data citra satelit pada tahun yang bersangkutan. Persaman yang digunakan dalam USGS (2002) :

d2 = (1-0.01674.Cos(0.9856 (JD-4)))2 Dari hasil estimasi nilai albedo persamaan diatas jumlah energi radiasi gelombang pendek yang dipantulkan oleh suatu permukan, maka besarnya radiasi gelombang pendek yang diterima permukaan dapat dirumuskan :

s

R

↓=Rs

α ↑

Satuan untuk total energi radiasi gelombang pendek masih dinyatakan dalam satuan Wm-2steradian-1μm-1. Hal ini menyatakanan Laju perpindahan energi ( W, Watts) yang terekam oleh sensor per m-2 luas permukaan, untuk satu steradian (sudut tiga dimensi dari sebuah titik dipermukaan bumi ke sensor satelit) per unit panjang gelombang dalam satu kali pengukuran.

Langkah selanjutnya yaitu dilakukan konversi dari wm-2steradian-1μm-1 menjadi satuan energi wm-2, supaya bisa dilakukan perhitungan lebih lanjut dengan parameter lainnya. Untuk mengembalikan nilai menjadi radiasi yang tidak tergantung pada sifat lengkung permukaan bumi, maka nilai radiasi adalah fungsi dari nilai irradians yang terbebas dari besaran arah dan disebut sebagai radiansi Isotropic. Fungsi perhitungan adalah integral terhadap dΩ yang menghasilkan pe rsamaan berikut :

E = πd2 Dimana :

π = 3.14

d2 = Jarak bumi matahari dalam satuan astronomi.

Unsur panjang gelombang (μm-1) dapat dihilangkan dengan cara dikalikan dengan nilai tengah panjang gelombang dari masing-masing kanal. Radiasi gelombang panjang yang dipantulkan dapat diturunkan dari persamaan Stefan-boltzman, dimana

ε

= emisivitas,

σ

= Tetapan Stefan-boltzman ((5.67x10-8 Wm-2 K -4_{)) dan Ts merupakan Suhu permukaan objek} (K) ↑ L R = 4 S

T

εσ

Radiasi gelombang panjang yang datang (R )_L↓ sangat kecil bila dibandingkan dengan Radiasi gelombang pendek yang datang (

s R↓).

Karena diasumsikan langit cerah, tidak tertutup awan, sehingga besarnya radiasi matahari yang diemisikan dari awan sangat kecil. Nilai radiasi gelombang panjang, hanya diambil nilai radiasi gelombang panjang yang dipancarkan dari permukan bumi.

2.2. Radiasi Surya Hutan.

Radiasi surya merupakan gelombang elektromagnetik yang dibangkitkan dari proses fusi nuklir yang mengubah hidrogen menjadi helium. Menurut Handoko (1993), Permukaan matahari bersuhu 6000 K meskipun bagian dalamnya bersuhu jutaan derajat Kelvin. Dengan suhu permukaan tersebut, radiasi yang dipancarkan berupa gelombang elektromagnetik sebesar 73,5 juta watt tiap m2. Radiasi surya yang sampai pada puncak atmosfer tegak lurus terhadap sinar surya adalah 1.35 kWm2 dan disebut tetapan surya

(Rosenberg, 1974). Selanjutnya Monteith (1975) memperkirakan besarnya radiasi yang mencapai permukaan tropik pada tengah hari berkisar antara 0.70-1.00 kWm2.

Matahari dapat memancarkan radiasi gelombang pendek sedangkan permukaan yang mempunyai suhu lebih besar dari 1K dapat memancarkan radiasi gelombang panjang. Jadi satu-satunya yang dapat memancarkan radiasi gelombang pendek itu hanya matahari. Sebagian dari radiasi matahari akan diserap dan akan dipantulkan lagi dengan gelombang panjang. Hal tersebut menyebabkan adanya neraca energi. Neraca energi merupakan kesetimbangan antara masukan energi dari matahari dengan kehilangan energi oleh permukaan setelah melalui proses-proses yang kompleks (Rini Hidayati, 1999). Selisih antara gelombang pendek matahari dan gelombang panjang yang datang ke permukaan dengan gelombang pendek dan gelombang panjang yang ke luar (hilang) disebut radiasi netto.

Rn = Rs↓ - Rs↑ + Rl↓ - Rl↑

Sebagian dari radiasi gelombang pendek ada yang dipantulkan dan ada juga yang diserap atau diteruskan. Seberapa besar energi pantulannya tergantung pada albedo (α) permukaannya. Albedo (α) yaitu nisbah antara radiasi pantulan dan radiasi yang datang (Rini Hidayati, 1999).

Nilai albedo berbeda-beda, albedo akan berkurang dengan bertambahnya sudut datang. Albedo tanaman pangan berkisar antara 0,20 – 0,30 (Rosenberg, 1974) dalam Rini Hidayati,(1999) dan albedo daun lebih besar daripada albedo tajuk (Monteith, 1975) dalam Rini Hidayati dan Idung Risdiyanto (1999) karena pantulan dari daun dapat diserap oleh daun lainnya.

Semakin tinggi suatu kanopi maka akan semakin kecil nilai albedonya karena adanya penyerapan dan pemantulan yang berulang ulang sehingga energi yang diserap akan lebih banyak. Adanya distribusi penerimaan energi radiasi surya yang berbeda menyebabkan perbedaan suhu pada suatu tempat. Distribusi radiasi yang diterima di bawah kanopi sangat dipengaruhi oleh struktur dan kerapatan tajuk yang berbeda-beda untuk tiap jenis tegakan, umur tegakan, tipe hutan, tingkat suksesi hutan, sudut surya dan awan. Intensitas radiasi surya yang mencapai lantai kanopi sangat menentukan unsur iklim mikro lainnya (Imam Santosa, 1999).

Radiasi surya yang sampai di permukaan kanopi tanaman ± 85% akan diserap dan kurang dari 10% akan dipantulkan. Sedangkan bagian yang tidak diintersepsi akan diteruskan atau ditransmisikan ke bagian bawah kanopi sebesar 5%. Penerimaan radiasi surya pada areal vegetasi hutan berkaitan erat dengan pengaruh perubahan musim serta tingkat kerapatan pada ekosistem hutan. Selanjutnya June (1993) mengemukakan bahwa faktor-faktor yang mempengaruhi penetrasi radiasi surya ke dalam tajuk meliputi : sudut berdirinya daun, sifat permukaan daun terhadap pemantulan radiasi, ketebalan daun (transmisi radiasi), ukuran daun, elevasi matahari serta proporsi dari radiasi langsung dan baur pada tajuk tanaman. Proses penyerapan, pemantulan dan penerusan radiasi pada areal tanaman akan menyebabkan terjadinya perubahan spectrum dari radiasi surya di puncak, tengah dan dasar kanopi. Keadaan ini mempunyai implikasi penting untuk tanaman yang tumbuh di bawah kanopi yang tebal.

Kanopi tanaman memiliki tiga sifat optikal (Charles-Edward et al dalam impron 1999) yaitu :

• Refleksifitas (ρ) kanopi yaitu proporsi kerapatan fluks radiasi matahari yang direfleksikan oleh unit indeks luas daun atau kanopi.

• Transmisivitas (τ) yaitu proporsi kerapatan fluks radiasi yang ditransmisikan oleh unit indeks luas daun.

• Absorbsivitas (α) yaitu proporsi kerapatan fluks radiasi yang diabsorpsi oleh unit indeks luas daun.

Hukum kekekalan energi memberikan dasar : ρ + τ + α = 1

Dalam komunitas tanaman akan terjadi transmisi dan refleksi yang besarnya tergantung pada sudut datang sinar matahari (Monteith, 1973). Koefisien refleksi dan transmisi untuk sudut datang 0 – 50o hampir konstan. Semakin besar sudut datang sinar matahari maka koefisien refleksi akan meningkat dan koefisien transmisi akan menurun, dimana perubahan tersebut bersifat komplementer sehingga secara keseluruhan nilai absorbsi yang dapat dimanfaatkan untuk proses fotosintesis besarnya relatif konstan. Beberapa nilai (ρ) dan (α) untuk radiasi gelombang pendek diberikan pada tabel 2.

Tabel 2. Beberapa nilai (ρ, %) dan (α, %) daun, vegetasi dan permukaan lain untuk radiasi gelombang pedek (Jones dalam Impron 1999). Jenis permukaan (ρ, %) (α, %) Berbagai jenis tanaman pangan (crops) Daun tunggal Konifer

Nilai tipikal rata-rata untuk total radiasi gel.pendek Nilai tipikal rata-rata untuk PAR

29 – 33 12 30 9 40 – 60 88 50 85 Rumputan Vegetasi Tanaman pangan Hutan

Nilai tipikal rata-rata untuk total radiasi gel.pendek Nilai tipikal rata-rata untuk PAR

24 15 – 26 12 – 18 20 5 Salju Permukaan lain: Tanah basah Tanah kering Air 75 – 95 9

±

4 19

±

9

≥

20

2.3. Teknik Penginderaan Jauh.

Penginderaan jauh (inderaja) atau remote

sensing didefinisikan sebagai teknik

pengukuran atau perolehan informasi dari beberapa sifat objek atau fenomena dengan menggunakan alat perekam yang secara fisik tidak bersinggungan langsung dengan objek atau fenomena yang dikaji (American Society

of photogrammetry, 1983).

Menurut Barus (2000), ciri utama penginderaan jauh adalah kemampuannya menghasilkan data spasial yang susunan

geometrinya mendekati keadaan sebenarnya dengan cepat dan dalam jumlah yang relatif besar. Data penginderaan jauh biasanya dalam bentuk suatu gambar (image) yang menggambarkan suatu obyek atau fenomena, contohnya : foto udara dan citra satelit.

Estimasi dan pengukuran berbasis data satelit dapat diartikan sebagai pengukuran energi yang dipantulkan dan atau diemisikan oleh material permukaan seperti vegetasi, batuan dan air pada kisaran panjang gelombang tertentu dalam spectrum elektromagnetik (Stefanov & Netzband, 2004). Satelit menerima spektrum elektromagnetik ini dalam beberapa kanal sesuai karakteristik satelit tersebut. Setiap satelit mempunyai jumlah kanal dan kisaran panjang gelombang yang berbeda-beda.

Menurut fungsinya satelit inderaja dibedakan menjadi satelit sumber alam dan satelit lingkungan-cuaca. Satelit yang termasuk sumber alam diantaranya adalah SPOT dan LANDSAT, sedangkan satelit lingkungan dan cuaca diantaranya METEOR dan COSMOS (USSER), TIROS-N dan NOAA-N(USA). 2.4. Gap Light Analyzer (GLA).

Perangkat lunak ini mengasumsikan bahwa ketika posisi matahari terhalang oleh kanopi maka nilai radiasi langsung tidak diperhitungkan, dan ketika tidak terhalang oleh kanopi maka nilai radiasi langsung sama dengan diatas kanopi (Frazer et al., 1999). Cahaya baur dan yang dipantulkan tidak diperhitungkan oleh perangkat lunak ini. Berdasarkan asumsi diatas, GLA ini merubah warna dari sebuah foto menjadi hanya hitam dan putih saja agar dapat mengidentifikasi tiap piksel dari sebuah foto sebelum melakukan perhitungan besarnya persentase cahaya yang ditransmisikan oleh kanopi tanaman.

2.5. Citra Satelit Landsat.

Echanced Thematical Mapper Plus

(ETM+), merupakan sensor yang digunakan oleh Landsat-7 menyusul kegagalan peluncuran Landsat-6 pada tahun 1993. Sensor ini dirancang untuk menjaga kontuniutas perekaman dari Landsat-5 TM. Berdasarkan tujuan tersebut, ETM+ ditempatkan diorbit dengan posisi hampir sama dengan Landsat-5 TM. ETM+ memiliki tujuh kanal spektral dan resolusi spasial yang sama dengan TM yaitu 30 x 30 meter. Kelebihan utama yang dimiliki oleh ETM+ adalah penambahan kanal pankrometrik yang beroperasi pada panjang gelombang 0.5 – 0.9 μm dengan resolusi

spasial 15 x 15 meter (Lillesand & Kiefer, 1994).

Satelit Landsat 7 diluncurkan dari

Vandenburg Air Force Base pada tanggal 15

April 1999 dengan wahana Delta II. Satelit mengorbit pada ketinggian 705 km, sun synchronous dan memetakan bumi dengan siklus pengulangan 16 hari sekali. Sensornya merupakan instrumen “single nadir-pointing” disebut Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+). Komunikasi melalui S-Band digunakan untuk mengendalikan satelit dan X-Band digunakan untuk data downlink. Orbit Landsat 7 adalah sun synchronous, sehingga hubungan geometrik antara orbit descending, atau southbound, track dan proyeksi matahari rata-rata pada bidang ekuator akan tetap konstan selama mengorbit. Akibatnya, waktu matahari rata-rata pada setiap titik individu pada orbit akan tetap, sehingga waktu matahari rata-rata (waktu setempat) satelit melewati ekuator di tempat manapun akan selalu sama yaitu pukul 10:00. Resolusi spasial dari data TM adalah 30 x 30 meter untuk seluruh kanal kecuali kanal 6 dengan resolusi 120 x 120 meter pada landsat TM dan 60 x 60 meter pada Landsat ETM yang bisa diubah ke dalam 30 x 30 meter untuk digabung dengan kanal lain. Resolusi temporalnya 16 hari dengan resolusi radiometrik 8 bit dengan 256 tingkat keabuan. (www.infoterra-global.com/landsat.htm

Landsat didesain untuk menangkap informasi yang ada dipermukaan bumi (terutama tentang penutupan daratan). Landsat adalah kombinasi dari sensor-sensor yang memiliki band spektral yang khusus untuk pengamatan bumi, fungsi resolusi spasial dan memiliki cakupan areal yang luas. Satelit ini terletak pada ketinggian sekitar 700 km di atas bumi dan mempunyai priode kunjung 16 hari. Sejumlah sensor Landsat antara lain Return Beam Vidicom (RBV) camera systems, MultiSpectral Scanner (MSS) systems, dan Thematic Mapper (TM). Sensor yang paling popular adalah MultiSpectral Scanner (MSS) dan kemudian yang mutakhir Thematic Mapper (TM) ©2004 Digitized by USU digital

library 6 MSS meremote sensing radiasi

elektromagnetik dari permukaan bumi dalam 4 band, masing-masing band memiliki resolusi spasial ± 60 x 80 meter dan resolusi 6 bits, atau 64 digital numbers. Proses sensing dilakukan dengan alat penyiaman dengan sebuah cermin oscillating. Sensor TM memiliki beberapa kemajuan dari sensor MSS diantaranya resolusi spasial dan radiometric yang lebih tinggi; band spectral yang lebih baik; 7 band spectral dan kenaikan jumlah detector per

saluran (mis: 16 detektor per saluran, hanya 6 pada MSS. Resolusi spasial TM adalah 30 meter kecuali untuk saluran termal 120 meter dan resolusi radiometriknya 8 bits (256 DN).

).

Karakteristik dan kegunaan umum masing-masing kanal dari Landsat TM/ETM+ ditunjukan pada tabel dibawah ini :

Tabel 3. Karakteristik dan kegunaan kanal dari Landsat TM/ETM+. No Kanal Panjang Gelombang (μm) Wilayah

Gelombang EM Kegunaan umum

1 0.45 - 0.52 Visible Blue

Dirancang untuk penetrasi kedalam tubuh air, pemetaan perairan pantai, juga berguna untuk pembedaan jenis tanah/vegetasi, pemetaan tipe hutan dan untuk identifikasi peninggalan kebudayaan.

2 0.52 - 0.60 Visible Green

Mengukur puncak pantulan vegetasi pada spektrum hijau, yang berguna untuk melihat perbedaan vegetasi dan tingkat kesuburan.

3 0.63 - 0.69 Visible Red Mengetahui wilayah serapan klorofil yang berguna untuk

pembedaan spesies tanaman.

4 0.76 - 0.90 Near Infrared Berguna dalam identifikasi tipe vegetasi, kekuatan dan

kandungan biomassa.

5 1.55 - 1.75 Middle Infrared Mengidentifikasi kelembaban vegetasi dan kelembaban

tanah, juga berguna untuk membedakan awan dan salju.

6 10.40- 12.50 Thermal

Infrared

Untuk kelembaban tanah, ketinggian vegetasi, dan temperatur vegetasi. Untuk deteksi vegetasi dan tanaman yang terkena stress, intensitas panas, aplikasi insektisida dan penempatan aktivitas geotermal.

7 2.08 - 2.35 Far Infrared Berguna untuk membedakan tipe batuan dan mineral,

juga peka terhadap vegetasi.

8 0.52 - 0.90

(panchromatic)

Green, Visible Red, Near Infrared

Pemetaan dalam wilayah yang luas dan kajian perubahan wilayah perkotaan.