BAB III
PENGOLAHAN DATA SAR DENGAN ROI PAC
III.1 Sekilas Tentang ROI PAC
ROI_PAC merupakan kepanjangan dari Repeat Orbit Interferometry Package,
software ini memberikan kesempatan untuk para peneliti dalam melakukan penelitian
terkait area topografi dan perubahaan permukaannya melalui aplikasi teknologi geodesi
yaitu Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR). Software ROI_PAC
dikembangkan utamanya untuk data ERS, seperti ERS-1, ERS-2, dan JERS data dan
konfigurasinya sangat cocok untuk berkerja pada data “strip-mode” dari semua
instrument satelit radar yang ada. InSAR adalah sintesis dari teknik konvensional SAR
dan teknik interferometry yang telah dikembangkan lebih dari beberapa dekade dari
radio astronomi dan penginderaan jauh radar serta beberapa tahun sebelumnya telah
dibuka aplikasi radar dalam ilmu sistem bumi termasuk pemetaan topografi dan geodesi
[Thompson, dkk. 1986.]. Pertama kali di releasae ROI_PAC (v1.0) pada tahun 2000 dan
digunakan oleh 30 kalangan baik kalangan akademik maupun komunitas penelitian.
ROI_PAC menggunakan data radar mentah, didukung juga data dari telemetri dan solusi
navigasi serta DEM (Digital Elevation Model disediakan sebagai masukan data
eksternal atau dibuat dari interferometri 2 pasangan citra) untuk memproduksi sebuah
hasil yang diperoleh dari data produk, diantaranya citra resolusi penuh, interferogram,
fase citra yang diukur dan lalu dilakukan phase unwrapped, DEM dan kesalahan
estimasi. Setiap produk tersebut yang tersedia secara alami dalam sistem koordinat radar
dan digeoreferensikan untuk menjadi DEM. Software untuk menghitung baseline
interferometric (orbit terpisah dari satelit terutama waktu pengamatannya) memberikan
solusi navigasi dan menyaring estimasi untuk mencapai level mm dari ketelitian DEM
dan pilihan model deformasi sebagai referensi. Untuk menghapus unsur topografi dari
interferogram, ROI_PAC memproses simulasi interferogram dari data orbit dan DEM
dan mensubtraksi fase dari ukuran interferogram pasangan orbit, setelah itu
differensialkan antara kedua interferogramnya sisanya meninggalkan fase deformasi.
Implementasi ROI_PAC itu berbasiskan algoritma C dan fortran serta setiap program
33
eksekusi dengan melalui Perl control script, running on SGI, Sun, and Linux platforms
[sumber : http://roipac.org]
.
III.2 Strategi Pengolahan Data pada ROI PAC
Gambar 3.1 Alur Kerja pengolahan SAR metode two-pass perangkat lunak ROI PAC [sumber :
http://roipac.org]
Orbi Data Mentah Data Mentah Data SLC 2 Estimasi Tie Point • Resampling • Interferogram • Estimasi Data SLC 1 Penghapusan Topografi Filtering Interferogram Phase Unwrapped Geocoding Pemodelan Deformasi DEM GPS Re‐estimasi Baseline Remove Model Return Model Data IndependenIII.3 Tahapan Pengolahan SAR pada ROI PAC
III.3.1 Pemilihan Data
Dalam tahapan pengolahan data InSAR, seperti yang telah disinggung
sebelumnnya, pemilihan data atau selecting data merupakan salah satu tahapan yang
paling penting dari pengolahan InSAR ini. Beberapa hal yang penting dipertimbangkan
pemilihan data diantaranya :
Panjang Baseline antara kedua data
Dapat diperkiraan panjang baseline antara dua orbit pengamatan melalui
pengeplotan pada sistem kartesian dimana sumbu x merupakan Perpendicular Baseline
pengamatan dan sementara sumbu y adalah Temporal Baseline, dapat dilihat pada
Gambar 3.2 dibawah ini :
35
Dengan mengetahui penyebaran titik orbit dari data pengamatan SAR, maka kita
dapat memilih pasangan data yang berdekatan artinya adalah memiliki baseline
pendek dalam hal ini baik perpendicular (≤ 150m, ESA inSAR processing, 2007)
maupun temporalnya (salah satunya tandem), karena dengan itu maka korelasi antara
kedua citra tersebut semakin baik, sehingga pada tahapan selanjutnya yaitu
interferogram generation akan menghasilkan pola fringes yang baik.
Perbedaan Squint antara kedua data tersebut
Squint angle (arah sorot sensor) diperoleh setelah mengolah dari format nol data
ke data mentah, artinya kita harus mengolah menjadi raw data seluruhnya baru
setelah itu kita dapat mengetahui nilai squintnya tersebut, nilai ini sangat perlu
dipertimbangkan perbedaannya dalam tahapan ini, dikarenakan semakin jauh
perbedaan nilainya maka korelasinya kedua data tersebut semakin kecil, dan
sebaliknya semakin kecil perbedaannya makan korelasinya semakin baik, untuk lebih
jelasnya dapat melihat tabel nilai squint serta number orbit (
Tabel 4.4)
dari beberapa
data InSAR bali selama beberapa tahun serta contoh pasangan citra SLC yang tidak
saling berkorelasi akibat nilai squint yang terlalu jauh (
Gambar 5.1)
.
Setelah kita mengetahui penyebaran titik orbit dari data InSAR kita serta nilai
squintnya, setelah itu kita putuskan pasangan data mana saja yang akan kita lakukan
pengolahan berdasarkan kedua pertimbangan tersebut, cara ini cukup efektif dalam
tahapan awal pengolahan data InSAR untuk mendapatkan topografi dan deformasi
pada suatu area.
III.3.2 Pra-pengolahan (Pre-processing)
Pada tahap ini merupakan tahapan pembuatan raw data yang siap untuk
dilakukan proses SAR dari signal data atau data sinyal atau biasa disebut dengan level 0
data, secara internasional oleh Committee on Earth Observation Satelites (CEOS),
format untuk raw data SAR terdiri atas Volume Directory File, SAR Leader File, Raw
Data File, and Null Volume file. Pada tahap ini beberapa proses utama adalah sebagai
berikut :
a. Mengidentifikasi dan menghapus data baris yang yang buruk, ini penting pada
saat dan menjadi masalah pula pada saat 2 citra akan di registrasi pada tahap sub
pixel.
b. Perataan Sampling Window Start Time Adjustment (SWST) untuk
mengakomodasi perubahan dalam waktu transit pulsa radar diterima, nilai
konstan SWST akan sangat membantu pada tahapan image formation.
c. Extraksi data, dengan prosedur dimana distribusi nilai setiap chanel di ratakan
untuk menjadi zero-mean (rata-2 nol), dimana meliputi pengkonversian dari
quantized integer kepada real number dan penghapusan bias pada setiap saluran.
d. Extraksi parameter data, parameter ini dibutuhkan dalam tahapan image
formation sebagai inputan parameter dimana terdiri atas pulse repetition
frequency (secara alternatif, pulse repetition interval), sampling frequency, pulse
length, chirp slope, and wavelength (secara alternatif, carrier frequency).
Tabel 3.1 berikut ini beberapa parameter dari sistem satelit SAR ERS,
Tabel 3.1 ERS SAR system parameters [Buckley, 2000]
pulse repetition interval,
t
PRI 595.27 s pulse repetition frequency,f
PRF 1679.9 Hzsampling frequency,
f
s 18.962 MHz pulse length,τ
p 37.12 s chirp slope, K 418.91 GHz/s wavelength, 5.6666 cm carrier frequency,f
c 5.29 GHz bandwidth,f
BW 15.55 MHz37
Bertikut ini informasi raw data SAR hasil pre-processing dari 930110-Sample Data (Tabel 3.2 )
--- DATE 930110 FIRST_LINE_YEAR 1993 FIRST_LINE_MONTH_OF_YEAR 01 FIRST_LINE_DAY_OF_MONTH 10 I_BIAS 15.6555004 Q_BIAS 15.3079996 PROCESSING_FACILITY CRDC_SARDPF PROCESSING_SYSTEM SARP-S/S PROCESSING_VERSION Ver 0.0 PLATFORM ERS1 ORBIT_NUMBER 0 ONE_WAY_DELAY 3.311e-06 STARTING_RANGE 829842.975510793 RANGE_PIXEL_SIZE 7.9048902811596 PRF 1679.87845453499 ANTENNA_SIDE -1 ANTENNA_LENGTH 10 FILE_LENGTH 12109 XMIN 412 XMAX 11812 WIDTH 11812 YMIN 0 YMAX 12109 RANGE_SAMPLING_FREQUENCY 18962468 PLANET_GM 398600448073000 PLANET_SPINRATE 7.29211573052e-05 FIRST_LINE_UTC 66327.339 CENTER_LINE_UTC 66330.943129801 LAST_LINE_UTC 66334.5472596019 HEIGHT 788308.231164979 HEIGHT_DT -10.7342137607351 VELOCITY 7552.60745017346 LATITUDE 0.599607465697358 LONGITUDE -1.97228541182305 HEADING -151.895232493872 EQUATORIAL_RADIUS 6378137 ECCENTRICITY_SQUARED 0.00669437999014132 EARTH_RADIUS 6344871.37352056 ORBIT_DIRECTION descending FILE_START 1 WAVELENGTH 0.0565646 PULSE_LENGTH 37.10e-06 CHIRP_SLOPE 0.419137466e12 DOPPLER_RANGE0 0.24312 DOPPLER_RANGE1 -1.9868e-06 DOPPLER_RANGE2 -2.3814e-10 DOPPLER_RANGE3 0. SQUINT 0.280492547503011 ROI_PAC_VERSION 3 ---Citra raw data hasil pre-processing (930110-Sample Data) Gambar 3.3 dibawah ini,
dapat memberikan informasi arah lintasan satelit beserta informasi range dan
azimuthnya.
Gambar 3.3 Contoh data mentah (raw format) citra 930110 ERS-1 dengan perbesaran
III.3.3 Formasi Citra (Image Formation)
Pada tahapan image formation, terdapat 2 fokus utama yaitu terdiri dari : range
Doppler processing
dan wavenumber domain processing [Bamler, 1992]. Secara
mendasar dari tahapan image formation ini adalah pengkarakteristikan respon pantulan
yang diterima dari titik target di permukaan bumi. itu menunjukan respon dari sebuah
titik target, penyebaran dalam range dan azimuth, mungkin akan terpecahkan dengan
match filter
. Match filter diterapkan dalam prosedur range compression, respon
range-compression
dari titik target berkembang dan bermasalah karena range untuk setiap
target berubah pada saat waktu pencitraan, sehingga tahapan range migration harus
ditambahkan dengan proses chain. Sehingga akhirnya target dapat implementasi dapat
sepenuhnya terpecahkan dari tahapan compression azimuth macth filter.
Range-doppler processor
terdiri atas tiga tahapan, diantaranya range
compression, range migration,
dan azimuth compression. Implementasi dari
range-doppler processor untuk data strip yang panjang membutuhkan pemotongan data
39
tampalan. Untuk setiap tampalan, akan terdapat beberapa garis azimuth pada awal dan
akhir dimana akan kurang terpecahkan dari pada bandwidth Doppler sepenuhnya. Ini
dapat terpecahkan dengan mengoverlap tampalan yang berdampingan dan hanya
membuat output keluaran dalam tampalan baris azimuth dimana diproses dengan
bandwidth doppler sepenuhnya.
Output dari proses ini adalah berupa citra kompleks atau disebut Single Look
Complex image
(SLC) dimana diproses dengan tahapan diatas dengan data inputan raw
data SAR tersebut.
Berikut ini informasi raw data SAR hasil pre-processing dari 930110-Sample Data (Tabel.3.3) :
--- DATE 930110 FIRST_LINE_YEAR 1993 FIRST_LINE_MONTH_OF_YEAR 01 FIRST_LINE_DAY_OF_MONTH 10 I_BIAS 15.6555004 Q_BIAS 15.3079996 PROCESSING_FACILITY CRDC_SARDPF PROCESSING_SYSTEM SARP-S/S PROCESSING_VERSION Ver 0.0 PLATFORM ERS1 ORBIT_NUMBER 0 ONE_WAY_DELAY 3.311e-06 STARTING_RANGE 827060.454131825 RANGE_PIXEL_SIZE 7.9048902811596 PRF 1679.87845453499 ANTENNA_SIDE -1 ANTENNA_LENGTH 10 FILE_LENGTH 11976 XMIN 0 XMAX 5700 WIDTH 5700 YMIN 0 YMAX 11975 RANGE_SAMPLING_FREQUENCY 18962468 PLANET_GM 398600448073000 PLANET_SPINRATE 7.29211573052e-05 FIRST_LINE_UTC 66327.1431524974 CENTER_LINE_UTC 66330.707696101 LAST_LINE_UTC 66334.2722397047 HEIGHT 0.7883103401E+06 HEIGHT_DT -12.1191192246955 VELOCITY 7552.60360862516 LATITUDE 34.3688745 LONGITUDE -112.9995751 HEADING -166.4198608 EQUATORIAL_RADIUS 6378137 ECCENTRICITY_SQUARED 0.00669437999014132 EARTH_RADIUS 6344871.37352056 ORBIT_DIRECTION descending FILE_START 1 WAVELENGTH 0.0565646
PULSE_LENGTH 37.10e-06 CHIRP_SLOPE 0.419137466e12 DOPPLER_RANGE0 0.248831488507477 DOPPLER_RANGE1 -3.26100176901714e-06 DOPPLER_RANGE2 9.18349980010098e-11 DOPPLER_RANGE3 0 SQUINT 0.285632422354303 ROI_PAC_VERSION 3 RAW_DATA_RANGE 829842.975510793 AZIMUTH_PIXEL_SIZE 4.49592494610815 DELTA_LINE_UTC 0.000595281162932 RANGE_OFFSET 0 RLOOKS 1 ALOOKS 1 HEIGHT_DS -0.1604629612E-02 HEIGHT_DDS 0.1913537145E-09 CROSSTRACK_POS -0.3933023169E+01 CROSSTRACK_POS_DS 0.3111983919E-03 CROSSTRACK_POS_DDS -0.6135602887E-08 VELOCITY_S 7552.5960222 VELOCITY_C 0.0000000 VELOCITY_H -10.7048805 ACCELERATION_S -0.0040527 ACCELERATION_C -0.6214638 ACCELERATION_H -7.9634721 VERT_VELOCITY -0.1077193792E+02 VERT_VELOCITY_DS 0.2800437658E-05 CROSSTRACK_VELOCITY 0.2208995740E+01 CROSSTRACK_VELOCITY_DS -0.9214343640E-04 ALONGTRACK_VELOCITY 0.7552537825E+04 ALONGTRACK_VELOCITY_DS 0.2421951665E-05 PEG_UTC 66330.708
---Gambar 3.4 Berkut ini citra SLC data hasil image formation (930110-Sample Data),
Gambar 3.4 Contoh citra SLC pengamatan 930110 untuk magnitude (kanan) dan fase (kiri)
41
III.3.4 Registrasi Citra dan Formasi Interferogram
Tahapan image registration & interferogram formation disini terdiri atas 3 tahap, yaitu :
Pencarian area tampalan & Parameter (Offset)
Tahapan Offset disini ialah menentukan parameter transformasi affine antara
citra reference 1 dengan citra reference 2 melaui, pencarian patch area atau area
tampalan dari kedua citra kompleks melalui puncak korelasi dari amplitudo, dengan
perataan 1/32 pixel. Ilustrasinya antara citra master dengan slave dapat dilibat pada
Gambar 3.5
, berikut ini :
Gambar 3.5 Ilustrasi kondisi masing sistem koordinat (range, azimuth) reference dan slave
Contoh parameter transformasi affine untuk kedua pasangan data 930110-95052 (Tabel.3.4 ) :
---Number of points remaining = 640 RMS in X = 4.928937208807113E-002 RMS in Y = 5.482401125257823E-002 Matrix Analysis Affine Matrix
1.0000245504 0.0000199039 -0.0002642857 0.9999792338 Translation Vector -10.660 22.259 Rotation Matrix 0.9999999651 0.0002642792 -0.0002642792 0.9999999651
Rotation Angle (deg) = -1.514208391684452E-002
Axis Scale Factors 1.0000246 0.9999792
Skew Term -0.0002444
---
Implementasi Parameter (Resample)
Tahapan resample ini ialah menentukan bidang offset dengan
mengkoinsidensikan bidang citra kompleks 2 ke bidang citra kompleks 1 dengan
parameter transformasi yang telah dihitung tadi, setelah itu menghitung
interferogrammnya.. Ilustrasinya antara citra master dengan slave dapat dilibat pada
Gambar 3.6
, berikut ini :
43
Komputasi
Setelah area bertampalan didapatkan selanjutnya tahapan dari perhitungan
perkalian silang antar piksel sehingga terbentuk interferogram fase dan amplitudonya.
Gambar 3.7 dan Gambar 3.8
berikut contoh interferogramnya dari data contoh
(930110-95053):
Gambar 3.7 Contoh interferogram amplitudo (contoh citra pasangan data 930110-950523)
III.3.5 Pendataran (Flattening)
Setelah didapat interferogramnya (beda fase) yang menggambarkan topografi
area kajian tetapi didalamnya memiliki unsur deformasi, noise dan atmosfer, ini masih
dipengaruhi oleh pencitraan kesamping SAR (side looking), oleh karena itu harus
dilakukan pendataran atau flattening ke bidang proyeksi. Ilustrasi dari pendataran dari
interferogram dapat dilihat pada Gambar 3.9.
Gambar 3.9 Flattening interferogram dengan PRC orbit (contoh pasangan data
45
III.3.6 Citra Korelasi (Image Correlation)
Untuk melihat sejauh mana korelasi citra secara kualitatif antara kedua citra
SAR dapat dilihat citra korelasi. Gambar 3.10 berikut ini contoh citra korelasi.
Gambar 3.10 Contoh citra korelasi pada flat interferogram dengan PRC orbit (contoh
pasangan data 930110-950523)
III.3.7 Penghapusan Topografi (Removing Topography)
Topography removal
adalah salah satu tahapan dalam two-pass dalam penentuan
differensial interferometri, removing topography digunakan sebagai penghapusan
topografi yang dimiliki oleh interferogram hasil dari 2 pasangan citra SAR, dengan
sebelumnya DEM dilakukan proses resample dan register ke pada interferogram tersebut
lalu di generate untuk menjadi interferogram (dapat melihat pada ilustrasi Gambar
3.11
).
III.3.8 Filterisasi Interferogram (Filtering)
Pada intinya filtering interferogram ini adalah menaikkan nilai signal noise ratio
(SNR) yang masih terkandung dalam interferogram dikarenakan pengaruh dari
penjalaran sinyal kembali di medium udara atau atmosfer, berikut salah satu contoh
interferogram setelah di lakukan proses filterisasi.
Gambar 3.12 Contoh Interferogram setelah di filtering (contoh pasangan data 930110-950523)
III.3.9 Phase Unwrapping
Tahapan untuk pemecahan atau resolving ambiguitas integer fase, (n) dalam
rangka penenutan absolut interferometrik fase dari fase relatif karena berhubungan
langsung dengan topografi dan deformasi. Secara matematis diformulasikan sebagai
berikut :
(3.3.9.1)
Dimana :
φ
absolute=
4
π
λ
δρ
n =
integer fase
(
measured
)
unw
absolute
n
unwrapped
φ
φ
π
47
Tahapan unwrapped ini terdiri atas beberapa tahapan [Buckley, 2000]
, sebagai
berikut
:
1. Me-masking area yang memiliki gradient phase tinggi
2. Membuat Residu
3. Branch cuts
4. Unwrapping phase
Berikut ini ilustrasi perubahan fase relatif ke fase absolut,
Gambar 3.13 Ilustrasi perubahan nilai fase relatif menjadi fase relatif setelah proses
unwrapped
2π
0
2π
0
2π
0
2π
0
2π
4π
6π
8π
0
III.3.10 Estimasi Ulang Baseline (Baseline Reestimation)
Penentuan geometri kedua pengamatan satelit (Gambar 3.14) terbaik melalui
PRC orbit dan Simulasi DEM, disini dilakukan dua kali proses, yang pertama dengan
menggunakan PRC orbit, lalu dilakukan proses lagi untuk menghasilkan hasil yang lebih
baik dengan simulasi DEM.
Gambar 3.14 Ilustrasi base antara kedua orbit pengamatan
Berikut ini parameter baseline antara PRC-SIM pada kedua pasangan data 930110-950523
(Tabel 3.5) :
--- TIME_SPAN_YEAR 2.36892539356605 H_BASELINE_TOP_PRC -23.2574447955833 H_BASELINE_RATE_PRC 5.10857061604081e-05 H_BASELINE_ACC_PRC -1.31169772711571e-13 V_BASELINE_TOP_PRC -80.7294227073118 V_BASELINE_RATE_PRC 1.82178371720364e-05 V_BASELINE_ACC_PRC 7.74556288803966e-13 P_BASELINE_TOP_PRC -45.3194508568886 P_BASELINE_BOTTOM_PRC -42.4030227988493 ORB_SLC_AZ_OFFSET_PRC 11.2229882985277 ORB_SLC_R_OFFSET_PRC 8.93904268166852 RANGE_OFFSET_PRC 0 PHASE_CONST_PRC -99999 H_BASELINE_TOP_SIM -22.2417367820407 H_BASELINE_RATE_SIM 4.803068867453768E-005 H_BASELINE_ACC_SIM 1.271847085701523E-010 V_BASELINE_TOP_SIM -81.3383850162307 V_BASELINE_RATE_SIM 1.964757373280968E-005 V_BASELINE_ACC_SIM -5.261621514976879E-011 PHASE_CONST_SIM -43.6388257725879 RANGE_OFFSET_SIM 0 ---49
III.3.11 Geocoding
Tahapan akhir dari penentuan final interferogram yang sudah melalui proses
flattening, removing topography, filtering, unwrapping
dan proses geocoding sehingga
interferogram tersebut sudah georeference, artinya posisi suatu pikselnya memiliki
posisi di permukaan bumi atau model deformasi posisinya sudah diketahui dipermukaan
bumi.
Berikut ini parameter transformasi affine untuk proses geocoding pada kedua pasangan data
930110-950523 (Tabel 3.6) :
---
Number of points remaining = 712 RMS in X = 0.441362826289063 RMS in Y = 0.390375434486720 Matrix Analysis Affine Matrix 0.9998691015 0.0017036199 0.0021220000 1.0000298182 Translation Vector -1.396 0.722 Rotation Matrix 0.9999977480 -0.0021222730 0.0021222730 0.9999977480
Rotation Angle (deg) = 0.121597378506175
Axis Scale Factors 0.9998714 1.0000240 Skew Term 0.0038264 ---