SINGLE DAN MULTI BEAM ECHO SOUNDER
BAMBANG SUPARTONO
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
SINGLE DAN MULTI BEAM ECHO SOUNDER
BAMBANG SUPARTONO
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains
pada
Program Studi Teknologi Kelautan
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Pengukuran Acoustic Backscattering Strength Dasar Perairan dengan Instrumen Single dan Multi Beam Echo Sounder adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
Bogor, Maret 2013
BAMBANG SUPARTONO. Measurement of Acoustic Backscattering Strength of Sea-Bottom with Single and Multi Beam Echosounder. Under direction of HENRY M. MANIK and IMAM MUDITA.
Underwater acoustic instruments has been an indispensable tool to study the ocean. Application of acoustic such as sonar technologies to bottom acoustics study has made significant advances over recent decades. The sonar systems evolved from single beam systems to more sophisticated digital ones like multi beam echo sounder. In this paper, both systems of single beam echo sounder (SBES) and multi beam echo sounder (MBES) were applied to detect and measure acoustic backscattering strength of sea-bottom. Sampling sediment was taken for ground truth data using bottom sampler. For SBES, data collection was carried out in Seribu Islands, Jakarta. Data were collected using CruzPro PcFF80 FishFinder with operating frequency 200 kHz. The algorithm to compute underwater signal using this instrument had been developed by Manik (2011). For MBES, data collection was carried out in Buyat Bay, North Sulawesi Province. Data were collected using Elac Seabeam 1050D MBES with operating frequency 180 kHz and processed with MBSystem version 5 software. For SBES, the results showed the value of surface backscattering strength (SS) for sand varied from -18.68 dB to -17.39 dB, silty sand -23.25 dB to -19.32 dB, and clayey sand was -19.83 dB. The echo level (EL) for sand varied from 131.4 dB to 138.2 dB, silty sand 133.5 dB to 135.4 dB, and for clayey sand was 136.5 dB (using source level (SL) 163 dB). For MBES, the SS for silty sand varied from -24.26 dB to -20.56 dB, and sandy silt -25.12 dB to -24.30 dB.
Key words: acoustic backscattering strength, ground truth, multi beam echo sounder, single beam echo sounder, sonar
Perairan Dengan Instrumen Single dan Multi Beam Echosounder. Dibimbing oleh HENRY M. MANIK dan IMAM MUDITA.
Dasar perairan mengandung informasi mengenai berbagai hal yang saling terkait antara abiotik dan biotik yang ada. Sifat-sifat dasar perairan seperti relief dan komposisi material penyusunnya merupakan variabel fisis yang penting dalam pembentukan distribusi habitat-habitat dasar perairan. Pengetahuan akan habitat dasar perairan bersama dengan habitat laut dan lingkungan pesisir bermanfaat untuk membuat perencanaan manajemen yang berkelanjutan bagi perikanan dan untuk kepentingan perlindungan ekosistem laut.
Untuk mendeskripsikan habitat dasar perairan digunakan teknik hidro akustik. Sistem akustik untuk klasifikasi sedimen dasar perairan secara tidak langsung mampu memperkirakan jenis-jenis sedimen penyusunnya.
Klasifikasi sedimen dasar perairan dapat dilakukan berdasarkan nilai
acoustic backscattering strength nya. Pengukuran acoustic backscattering strength (backscatter) dasar perairan dapat dilakukan menggunakan instrumen
single beam maupun multi beam echo sounder. Pada sistem single beam, setiap pemancaran pulsa akustik (satu ping) akan dihasilkan sebuah footprint beam akustik pada posisi tepat di bawah badan kapal. Acoustic backscattering strength
yang berasal dari beam akustik ini mengandung sejumlah informasi yang berkaitan dengan karakteristik permukaan dasar laut, seperti kekerasan maupun kekasaran. Pada sistem multi beam, setiap pemancaran pulsa akustik (satu ping) akan dihasilkan banyak footprint beam akustik pada posisi melintang di bawah badan kapal. Tiap beam akustik mengandung informasi tentang amplitudo pulsa suara yang dipantulkan oleh dasar laut.
Berdasarkan pemikiran tersebut, maka dalam penelitian ini dilakukan pengukuran acostic backscattering strength dasar perairan menggunakan dua sistem instrumen yang berbeda yaitu sistem single beam dan multi beam. Untuk sistem single beam, pengambilan data akustik berlokasi di perairan Kepulauan Seribu, menggunakan Cruzpro PcFF80 PC Fishfinder yang bekerja pada frekuensi 200 kHz, transmitted power 80 watt (adjustable), pulse duration 4 ms, serta kecepatan rambat suara dalam medium air laut sebesar 1546.8 m/dtk. Pengambilan sampel sedimen sebagai ground truth data, dilakukan menggunakan pipa paralon 3 inch. Ketebalan lapisan sedimen yang diambil sebesar 10 cm. Analisa terhadap sampel sedimen dilakukan di Laboratorium Fisika Tanah, Balai Penelitian Tanah – Bogor menggunakan metode ayakan bertingkat dan pemipetan. Untuk sistem multi beam, pengambilan data akustik berlokasi di perairan Teluk Buyat, menggunakan Elac Seabeam 1050D MBES yang bekerja pada frekuensi 180 kHz, lebar swath 153°, jumlah beam yang dihasilkan sebanyak 126 beam, transmitted power 500 watt, transmitted pulse length 0.15 ms. Data
sampling sedimen yang digunakan berasal dari survei P3GL.
Pengolahan data akustik single beam menggunakan perangkat lunak
HIPS & SIPS 6.1 untuk mendapatkan nilai batimetrinya. Untuk memperoleh nilai
acostic backscattering strength dasar perairan (dalam hal ini amplitudo) digunakan perangkat lunak MBSystem V.5. Selanjutnya dilakukan konversi dari amplitudo (mV) menjadi backscatter (dB).
Hasil analisis sedimen menunjukkan bahwa di lokasi penelitian Kepulauan Seribu ditemukan tiga tipe substrat, yaitu pasir, pasir berlanau, dan pasir berliat. Karakteristik fisik sedimen dasar perairan yang terukur seperti tekstur, porositas, dan densitas merupakan beberapa faktor yang mempengaruhi besarnya nilai
acoustic backscattering strength dasar perairan. Hasil penelitian menggunakan sistem single beam dengan instrumen Cruzpro PcFF80 PC Fishfinder di perairan Kepulauan Seribu menunjukkan bahwa nilai SS dasar perairan untuk substrat pasir berkisar antara -18.68 dB hingga -17.39 dB, substrat pasir berlanau antara -23.25 dB hingga -19.32 dB, dan substrat pasir berliat sebesar -19.83 dB. Hasil perhitungan nilai EL menunjukkan bahwa untuk substrat pasir berkisar antara 131.4 dB hingga 138.2 dB, substrat pasir berlanau antara 133.5 dB hingga 135.4 dB, dan substrat pasir berliat sebesar 136.5 dB (nilai SL pada frekuensi 200 kHz sebesar 163 dB).
Berdasarkan data sampling sedimen dari P3GL, di perairan Teluk Buyat yang menjadi area kajian, ditemukan dua tipe substrat, yaitu pasir lanauan dan lanau pasiran. Hasil penelitian menggunakan sistem multi beam dengan instrumen Elac Seabeam 1050D MBES di perairan Teluk Buyat menunjukkan bahwa nilai
SS dasar perairan untuk substrat pasir lanauan berkisar antara 24.26 dB hingga -20.56 dB dan substrat lanau pasiran antara -25.12 dB hingga -24.30 dB.
Adanya perbedaan nilai acoustic backscattering strength pada tipe substrat yang sama, yang terletak pada lokasi perairan yang berbeda disebabkan oleh beberapa faktor, antara lain : frekuensi alat yang digunakan, sifat-sifat fisis dasar perairan, komposisi partikel penyusun sedimen dasar perairan, konfigurasi sonar (jarak, beamwidth), kecepatan rambat gelombang akustik dalam kolom air (faktor oseanografis perairan), serta geometri pengukuran.
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2013
Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan IPB
NRP : C552100081
Disetujui
Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Henry M. Manik, M.T
Ketua Anggota
Dr. Ir. Imam Mudita, M.Eng.Sc
Diketahui
Ketua Program Studi Dekan Sekolah Pascasarjana Teknologi Kelautan
Dr. Ir. Jonson L. Gaol, M.Si Dr. Ir. Dahrul Syah, M.Sc. Agr
1 Ukuran partikel sedimen skala Wentworth (1922) ... 7
2 Spesifikasi alat Cruzpro PcFF80 PC Fishfinder ... 26
3 Peralatan yang digunakan dalam penelitian akustik dasar perairan .... 28
4 Spesifikasi teknis multi beam Elac Seabeam 1050D ... 30
5 Alat dan bahan yang digunakan dalam survei multi beam ... 31
6 Komposisi fraksi pada setiap stasiun ... 54
7 Nilai densitas dan porositas sedimen di lokasi penelitian ... 57
8 Nilai SV, dan SS untuk berbagai tipe substrat dasar perairan ... 57
9 Beberapa penelitian tentang nilai backscattering strength (BS) dasar perairan ... 69
10 Hasil pengukuran dan perhitungan sifat fisis sedimen dasar laut ... 71
11 Nilai koordinat variabel untuk setiap sumbu faktor ... 73
12 Ketelitian kedalaman ... 80
13 Hasil analisis sedimen permukaan di Teluk Buyat ... 84
14 Nilai backscatter berbagai jenis sedimen ... 85
1 Kerangka pemikiran dalam penelitian ini ... 5
2 Prinsip hidroakustik ... 9
3 Spreading loss ... 11
4 Refleksi dan transmisi gelombang akustik pada bidang batas antara dua medium ... 13
5 Reverberation yang disebabkan oleh kolom air, dasar perairan dan permukaan air ... 15
6 Geometri dari volume scattering ... 16
7 Geometri dari surface scattering ... 17
8 Pola-pola direksional terhadap gelombang akustik yang mengenai dasar perairan yang memiliki perbedaan kontras acoustic impedance dan tingkat kekasarannya ... 18
9 Contoh hipotetik dua dasar perairan dan echo trace yang ditunjukkan. Simbol t melambangkan echo trace dalam waktu ... 18
10 Bentuk echo dasar perairan yang keras (hard) dan lunak (soft); a). Amplitudo sinyal echo b). Kurva energi kumulatif ... 19
11 Distribusi nilai bottom backscattering strength untuk perairan dangkal ... 20
12 Variasi frekuensi pada bottom backscattering strength. Simbol titik untuk grazing angle 30º; simbol huruf untuk grazing angle 10º ... 20
13 Kurva bottom backscattering strength sebagai fungsi grazing angle untuk berbagai tipe substrat ... 21
20 (a) Lebar sapuan multibeam Elac Seabeam 1050D pada frekuensi 50 kHz dan (b) pada frekuensi 180 kHz ... 29
21 Diagram alir pengambilan data akustik ... 32
panjang pulsa tertentu ... 35
35 Hubungan antara nilai densitas dan porositas di lokasi penelitian ... 56
36 Tampilan echogram SV tipe substrat pasir di lokasi penelitian (a) Stasiun 6, (b) Stasiun 7 ... 58
37 Tampilan echogram SV tipe substrat pasir berlanau di lokasi penelitian (a) Stasiun 3, (b) Stasiun 4 ... 59
38 Tampilan echogram SV tipe substrat pasir berliat di lokasi penelitian 60
39 Tampilan echogram SS tipe substrat pasir (a) Stasiun 6, (b) Stasiun 7 ... 61
40 Tampilan echogram SS tipe substrat pasir berlanau (a) Stasiun 3, (b) Stasiun 4 ... 62
41 Tampilan echogram SS tipe substrat pasir berliat di lokasi penelitian 63
pada sumbu faktor F1 dan F2 ... 72
49 Sebaran stasiun pengamatan pada sumbu faktor F1 dan F2 ... 74
50 Dendogram parameter fisis sedimen ... 76
51 Dendogram parameter akustik ... 76
52 Profil batimetri daerah kajian ... 78
53 Kondisi topografi dasar laut Teluk Buyat ... 79
54 Sebaran nilai amplitudo ... 82
55 Visualisasi tingkat kekerasan permukaan dasar laut di area survei ... 83
56 Distribusi spasial nilai backscatter dalam dB ... 83
57 Tumpang susun jenis sedimen dengan amplitudo ... 86
58 Tumpang susun antara sebaran nilai amplitudo dan batimetri ... 87
1 Kapal nelayan yang digunakan untuk pengambilan data akustik
pada sistem single beam ... 98
2 Konfigurasi instrumen single beam di kapal ... 98
3 Alat pengukur parameter fisik sedimen di Laboratorium Fisika Tanah Balai Penelitian Tanah, Bogor ... 99
4 Foto tipe substrat dasar perairan di lokasi penelitian Kepulauan Seribu ... 100
5 Listing program Matlab untuk menampilkan echogram, acoustic backscattering strength, dan echo level ... 101
6 Tampilan echogramvolume backscattering strength (lanjutan) ... 105
7 Tampilan echogramsurface backscattering strength (lanjutan) ... 106
8 Tampilan grafik echo level (lanjutan) ... 107
9 Tampilan pola SV dan SS pada stasiun pengamatan (lanjutan) ... 109
10 Cluster data parameter sedimen ... 110
11 Cluster data parameter akustik ... 110
12 Hasil analisis contoh fisika tanah ... 111
13 Profil KR Baruna Jaya IV ... 113
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karunia-Nya sehingga penyusunan tesis dengan judul : Pengukuran Acoustic
Backscattering Strength Dasar Perairan dengan Instrumen Single dan Multi
Beam Echo Sounder, dapat diselesaikan.
Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada :
1. Komisi pembimbing Dr. Ir. Henry M. Manik, MT dan Dr. Ir. Imam Mudita, M.Eng. Sc. atas bimbingannya kepada penulis dalam menyelesaikan tesis ini.
2. Prof. Dr. Ir. Indra Jaya sebagai penguji tamu pada ujian akhir tesis yang telah memberikan saran dan masukan kepada penulis.
3. Ketua Program Studi Mayor Teknologi Kelautan Sekolah Pascasarjana Dr. Ir. Jonson L. Gaol, M.Si atas bimbingan selama penulis menempuh ilmu di Departemen Ilmu dan Teknologi Kelautan – IPB.
4. Kepala Balai Teknologi Survei Kelautan, Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BTSK – BPPT) yang telah memberikan ijin penggunaan data multi beam.
5. Seluruh staf BTSK – BPPT atas bantuannya selama penulis melaksanakan pengolahan data multi beam.
6. Kepala PPPGL dan Ir. Catur Purwanto, MT atas bantuan data sampling di Teluk Buyat.
7. Staf pengajar dan staf penunjang pada Program Studi Teknologi Kelautan yang telah banyak memberikan ilmu pengetahuan, pengalaman, dan bantuannya.
10.Keluargaku, istriku Fenti Fatimah dan putriku tercinta Filany Zahra Syafiqa atas dukungan, pengorbanan, dan kasih sayangnya.
11.Teman-teman TEK 2010 : Acta, John, Murjat, Elis, Meiske, dan Widi atas kebersamaan serta kerjasamanya, serta Mas Asep atas bantuan teknisnya selama pengumpulan data lapangan.
12.Seluruh pihak yang turut membantu penulis.
Penulis menyadari bahwa tesis ini masih jauh dari kesempurnaan, oleh karena itu saran dan kritik yang membangun sangat diharapkan. Akhir kata penulis berharap tesis ini dapat bermanfaat dan berguna.
Be good or be gone!
Bogor, Maret 2013
Penulis dilahirkan di Purwodadi, Jawa Tengah pada tanggal 13 Agustus 1969 dari ayah Soepardi dan ibu Winarti. Penulis merupakan putera pertama dari empat bersaudara.
Tahun 1988 penulis lulus dari SMA Negeri 1 Purwodadi dan pada tahun yang sama penulis melanjutkan kuliah di Universitas Gajah Mada. Penulis mengambil Program Studi Geofisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam dan menyelesaikannya pada tahun1994.
Pada tahun 1996 penulis menempuh pendidikan militer di kawah Candradimuka, Akademi Militer Magelang dan selanjutnya bergabung dengan jajaran TNI. Penulis ditempatkan di satuan Dinas Hidro-Oseanografi, Jakarta. Pada tahun 2010 penulis mendapat kesempatan untuk melanjutkan pendidikan umum jenjang S2 melalui program tugas belajar pada Mayor Teknologi Kelautan, Sekolah Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor.
Dalam rangka menyelesaikan studi di Sekolah Pascasarjana IPB, penulis mengeluarkan tulisan berjudul “Pengukuran Acoustic Backscattering Strength
DAFTAR TABEL ... xiii
DAFTAR GAMBAR ... xiv
DAFTAR LAMPIRAN ... xvii
3.4.2.(3) Identifikasi Jenis Sedimen Dasar Laut ... 45
1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Lautan beserta seluruh unsur yang terkandung di bawahnya merupakan tempat di planet bumi yang masih menimbulkan rasa keingintahuan bagi umat manusia. Seiring dengan perkembangan teknologi, maka berbagai teknologi eksplorasi lautan juga semakin maju. Lautan merupakan subyek bagi kepentingan komersial yang sangat kuat, seperti industri perikanan, industri minyak dan gas bumi, pertambangan dan lain-lain. Perkembangan yang sangat cepat, memunculkan permintaan akan teknologi pemetaan lautan, bukan hanya untuk eksploitasi lautan itu sendiri namun juga untuk kepentingan perlindungan ekosistem laut serta untuk membuat perencanaan manajemen yang berkelanjutan bagi perikanan. Dengan menggunakan berbagai sistem hidroakustik, maka dasar laut dapat dipetakan dengan resolusi yang sangat tinggi.
Dasar perairan merupakan area yang menakjubkan untuk diamati karena begitu unik dengan gambaran relief dasar laut, juga memberikan informasi mengenai berbagai hal yang saling berkait antara abiotik dan biotik yang ada (Pujiyati et al. 2010). Sifat-sifat dasar laut seperti relief dan komposisi material penyusunnya merupakan variabel fisis yang penting dalam pembentukan distribusi habitat-habitat dasar laut (Diaz, 2000).
Penelitian mengenai klasifikasi dasar laut dengan menggunakan teknik hidroakustik telah banyak dilakukan. Siwabessy et al. (1999) menggunakan teknik hidroakustik untuk mengklasifikasi dasar laut di Barat laut perairan Australia bagian Barat. Kim et al. (2004) menggunakan teknik hidroakustik untuk menentukan tipe-tipe sedimen di perairan Teluk Mexico bagian Timur laut. Manik et al. (2006) dan Manik (2011) menggunakan qantitative echosounder dan menerapkan model ring surface scattering (RSS) untuk mengkuantifikasi
scientific echosounder pada frekuensi 120 kHz untuk kuantifikasi dan karakterisasi dasar laut di perairan Pulau Pramuka Kepulauan Seribu.
1.2 Perumusan Masalah
Gelombang elektromagnetik tidak mampu menembus permukaan air laut lebih dari beberapa meter di bawahnya, apalagi bila medium air laut mengandung material-material padat tersuspensi atau biota seperti plankton. Pada sisi lain gelombang suara mampu menempuh jarak yang lebih jauh dalam medium air. Kelebihan ini dimanfaatkan oleh instrumen akustik yang memancarkan dan menerima kembali gelombang akustik untuk mendeteksi ikan maupun obyek lain di dasar laut. Sebagai konsekuensinya, teknologi akustik telah berdampak luas pada bidang perikanan. Dewasa ini, riset-riset dibidang perikanan telah semakin canggih dan bermanfaat (MacLennan & Simmonds 2005).
Sistem akustik untuk klasifikasi sedimen dasar laut yang secara tidak langsung mampu memperkirakan tipe sedimen dan sifat-sifat geoteknisnya telah secara luas digunakan dalam berbagai bidang seperti geologi kelautan, teknik sipil, perikanan, dan pertahanan (Kim et al. 2004). Secara konvensional, sifat-sifat sedimen dasar laut diperoleh dari hasil sampel coring dan sedimen grab. Namun cara ini bersifat lambat, mahal, memerlukan banyak tenaga, dan tidak memberikan pengumpulan data yang sifatnya real time atau in situ. Selain itu data yang didapat hanya menggambarkan sifat-sifat sedimen pada lokasi tertentu dan terbatas serta tidak memberikan kuantifikasi terhadap variabel-variabel alamiah pada sedimen dasar perairan. Sementara pada sisi lain, sistem akustik untuk klasifikasi sedimen dasar laut mampu memperkirakan secara akurat, mendekati real time, sifat-sifat akustik (kecepatan suara, impedansi akustik, dan attenuation), tipe sedimen (grain size), dan beberapa sifat geoteknik (bulk density, porosity, shear strength) pada kedalaman beberapa meter dari dasar laut, pada saat survei sedang berlangsung (Kim et al. 2004).
Acoustic backscattering strength yang berasal dari beam akustik ini mengandung sejumlah informasi yang berkaitan dengan karakteristik permukaan dasar laut, seperti kekerasan maupun kekasaran. Pada sistem multi beam, setiap pemancaran pulsa akustik (satu ping) akan dihasilkan banyak footprint beam akustik pada posisi melintang di bawah badan kapal. Tiap beam akustik mengandung informasi tentang amplitudo pulsa suara yang dipantulkan oleh dasar laut. Dua pendekatan dengan sistem yang berbeda tersebut akan diaplikasikan pada pengukuran
acoustic backscattering strength berbagai jenis substrat dasar perairan.
Perkembangan dewasa ini dalam bidang klasifikasi substrat dasar perairan dan kuantifikasi vegetasi bawah air, telah menjadikan teknik hidroakustik sebagai piranti yang efektif dalam monitoring dan mapping parameter-parameter habitat dalam ekosistem akuatik (Hoffman et al. 2001).
1.3 Kerangka Pemikiran
Karakterisasi sedimen dasar laut menggunakan metode akustik telah
menjadi suatu hal yang penting dalam berbagai bidang riset seperti hidrografi,
geologi kelautan, biologi kelautan, teknik kelautan, dan perikanan (Chanchal &
Chakraborty 2011).
Ilmu yang mengaitkan sifat-sifat akustik dengan sedimen dasar laut telah dimulai sejak awal digunakannya marine acoustic (Anderson et al. 2008). Klasifikasi dasar laut secara akustik berkembang dari aplikasi normal incidence
pada sistem echosounder beam tunggal (single beam echo sounder) yang
digunakan dalam ilmu-ilmu kelautan. Kemudian oblique incidence yang
diterapkan pada side scan sonar (SSS) dan multibeam echo sounder digunakan
untuk mengklasifikasi dan memetakan landscape dasar laut. Saat ini, teknik
akustik yang diterapkan terhadap dasar laut dikaitkan dengan identifikasi,
klasifikasi, dan mapping geologi dasar laut dan biotanya (Anderson et al. 2008).
Prinsip dari klasifikasi dasar laut secara akustik adalah bersandarkan pada
pengamatan awal bahwa echo akustik yang berasal dari specular reflection sistem
single beam mengandung informasi yang memiliki keterkaitan dengan sifat-sifat
sedimen seperti kekerasan (hardness), kekasaran (roughness) porositas, dan
ukuran butir (median grain size). Namun echosounder beam tunggal memiliki
keterbatasan dalam hal kecilnya cakupan spasial yang dihasilkan (Penrose et al.
2005). Penggunaan sistem multibeam telah memperluas secara signifikan
klasifikasi dan mapping dasar laut hingga mencapai sekala yang halus dan
cakupan yang lebih luas dan kontinyu (Anderson et al. 2008).
Berdasarkan uraian di atas, perlu dilakukan penelitian mengenai nilai
backscatter strength dasar perairan serta kaitannya dengan sifat-sifat fisis sedimen penyusunnya.
Secara diagramatik kerangka pemikiran yang mendasari penelitian ini disajikan pada Gambar 1.
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut :
1) Menghitung nilai acoustic backscattering strength dasar perairan untuk identifikasi jenis substrat dasar perairan.
2) Mengukur beberapa parameter fisik sedimen (tekstur, densitas dan porositas) yang diduga berpengaruh terhadap nilai backscattering strength
dasar perairan. 1.5 Manfaat Penelitian
2 TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Sedimen Dasar Laut
Seluruh permukaan dasar laut ditutupi oleh partikel-partikel sedimen yang telah diendapkan secara perlahan-lahan dalam jangka waktu berjuta-juta tahun. Sedimen ini terutama terdiri dari partikel-partikel yang berasal dari hasil pembongkaran batu-batuan dan potongan-potongan kulit (shell) serta sisa rangka-rangka dari organisme laut (Hutabarat & Evans 2000).
Sedimen dapat diklasifikasikan berdasarkan sumbernya maupun ukuran partikelnya. Menurut Thurman (1993) sumber sedimen berkaitan dengan asal mula material sedimen, yaitu batuan, air laut, atmosfer, dan organisme. Sedimen yang berasal dari batuan dinamakan lithogenous, pada umumnya mengandung mineral feromagnesian (seperti olivine, augite, dan biotite) dan nonferomagnesian
(seperti quartz, feldspar, dan muscovite). Batuan ini mengalami proses pelapukan (secara kimiawi maupun fisika), partikel-partikelnya dilarutkan dan akhirnya diendapkan di dasar laut. Sedimen lithogenous biasanya berada di sekitar batas-batas benua (continents). Sedimen hydrogenous adalah sedimen yang berasal dari reaksi kimia di dalam air laut, umumnya mengandung mineral mangan, fosfor, dan glauconite. Sedimen cosmogenous adalah sedimen yang berasal dari partikel kosmik yang mengenai permukaan bumi, mengalami suspensi dalam jangka waktu yang lama, dan akhirnya terlarut ke dalam air laut dan terendapkan. Material ini umumnya mengandung unsur besi. Sedimen biogenous adalah sedimen yang terbentuk dari sisa-sisa organisme seperti tulang, gigi dan cangkang, umumnya mengandung unsur calcium carbonat (CaCO3) dan silica
(SiO2
Ukuran partikel sedimen merupakan cara yang mudah untuk menentukan klasifikasi sedimen. Berdasarkan ukuran partikel ini, Wentworth (1922) mengelompokkan sedimen ke dalam beberapa nama (Tabel 1). Boulder (bongkah batu) merupakan sedimen dengan ukuran partikel berdiameter lebih dari 256 mm.
Sand (pasir) adalah sedimen dengan diameter partikel berukuran 0.062 – 2 mm.
Silt (lanau) adalah sedimen dengan diameter partikel berukuran 0.004 – 0.062
mm. Kelompok terakhir adalah clay (lempung) yaitu partikel sedimen dengan ukuran diameter kurang dari 0.004 mm.
Tabel 1 Ukuran partikel sedimen skala Wentworth (1922)
Fraksi Sedimen
Jenis Partikel Sedimen Ukuran Diameter (mm)
Ukuran partikel sedimen dasar laut ini sangat ditentukan oleh sifat-sifat fisiknya, sehingga berakibat terjadinya perbedaan sifat-sifat sedimen yang berada di berbagai belahan dunia. Sebagian besar dasar laut yang dalam ditutupi oleh jenis partikel yang kecil yang terdiri dari sedimen halus, sedangkan hampir semua pantai ditutupi oleh jenis partikel berukuran besar yang terdiri dari sedimen kasar. (Hutabarat & Evans 2000).
2.2 Teknik Hidroakustik
Dalam medium air, gelombang akustik memiliki karakteristik transmisi yang lebih baik dibandingkan dalam medium udara. Kecepatan perambatannya mencapai empat hingga lima kali lebih besar dari cepat rambatnya dalam medium udara. Sehingga gelombang akustik mampu menempuh jarak yang jauh bahkan mampu menembus perlapisan batuan yang ada di bawah dasar laut. Berbagai informasi yang berasal dari bawah permukaan air (underwater) bisa diberikan oleh gelombang akustik (Lurton 2002).
Berbagai kelebihan gelombang akustik tersebut kemudian dimanfaatkan oleh instrumen akustik bawah air (underwater acoustic instrument) untuk :
- Mendeteksi dan melokalisasi target bawah air; hal ini merupakan fungsi utama dari sistem sonar yang banyak diaplikasikan dalam bidang militer dan perikanan.
- Mengukur (measure) karakteristik lingkungan laut, seperti topografi dasar laut dan kehidupan organisme bawah laut.
- Mentransmisikan sinyal, seperti data yang dibutuhkan oleh instrumentasi saintifik bawah air, serta pengiriman pesan antara submarine dan kapal permukaan (Lurton 2002).
Prinsip dasar pengoperasian instrumen akustik bisa dijelaskan sebagai berikut (Gambar 2). Energi gelombang akustik akan dipancarkan ke kolom perairan dalam bentuk pulsa suara melalui transducer. Pulsa suara ini akan merambat dalam medium air dengan kecepatan berkisar 1500 m/s. Ketika pulsa suara mengenai suatu obyek atau target, seperti ikan ataupun dasar perairan, sebagian energinya akan dipantulkan kembali ke transducer dalam bentuk echo. Transducer akan mengubah echo menjadi energi listrik dan diteruskan ke
amplifier yang berada dalam echosounder untuk diperkuat. Apabila transducer yang digunakan lebih dari satu, maka digunakan multiplexer. Selanjutnya sinyal
echo yang sudah diperkuat ini akan diteruskan ke output device seperti digital
recorder, video display
Sumber : Hydroacoustic Technology Inc.
Gambar 2 Prinsip hidroakustik.
2.3 Perambatan Gelombang Akustik
Kecepatan gelombang akustik (suara) dalam medium air laut merupakan sebuah variabel oseanografi yang menunjukkan karakteristik perambatan gelombang akustik di lautan. Kecepatan gelombang suara ini nilainya bervariasi dan dipengaruhi oleh suhu, salinitas, dan tekanan (atau kedalaman) medium yang dilaluinya. Nilai kecepatan suara akan meningkat seiring dengan bertambahnya salah satu dari ketiga parameter tersebut (Etter 1996).
Formula untuk perhitungan kecepatan suara dikemukakan oleh Medwin (1975) yang diacu dalam Lurton (2002) sebagai berikut :
c = 1449.2 + 4.6t – 0.055t2 + 0.00029t3
dimana c = kecepatan suara, dalam m/s
+ (1.34 – 0.01t)(S – 35) + 0.016z ... (1)
t = suhu, dalam ºC
S = Salinitas, dalam p.s.u (practical salinity unit) z = kedalaman, dalam m.
Dalam perambatan gelombang akustik, akan mengalami proses kehilangan intensitas energi akustiknya yang disebabkan oleh geometrical spreading loss
(efek divergensi) dan absorption loss. Hal ini dikenal sebagai propagation loss (transmission loss) yang merupakan salah satu parameter sonar yang mengekspresikan satu nilai kuantitatif dari beberapa fenomena yang berkaitan dengan perambatan gelombang akustik di laut (Urick 1983).
2.3.1 Geometrical Spreading Loss
Dalam proses perambatan gelombang akustik dari sebuah sumber suara yang berada dalam medium homogen, tak terbatas dan tanpa penyerapan
TL = 10 log I1/ I2 = 10 log r2² = 20 log r2
Hal ini dinamakan spherical spreading dimana intensitas berkurang sesuai dengan kuadrat jarak, dan transmission loss bertambah sesuai dengan kuadrat jarak.
... (3)
Gambar 3 Spreading loss (sumber : Urick 1983).
Jika sumber suara dibatasi oleh bidang-bidang paralel berjarak H meter (Gambar 3b), maka daya yang menembus permukaan silindris yang mengelilingi sumber suara dengan radius yang makin bertambah, tetap akan bernilai sama (cylindrical spreading), dinyatakan dengan persamaan
P = 2πr1HI1 = 2πr2HI2 = ... = 2πrHIr
Jika r
... (4)
1 = 1 m, maka transmission loss(TL) pada jarak r2 TL = 10 log I
adalah
1/ I2 = 10 log r2 2.3.2 Absorption Loss
... (5)
magnesium sulfat (MgSO4
Penyerapan energi akustik (koefisien absorpsi = α) dipengaruhi oleh frekuensi alat yang digunakan serta suhu perairan, sesuai dengan persamaan yang dikemukakan oleh Schulkin dan Marsh (1962) diacu dalam Urick (1983)
) dalam air laut tereduksi menjadi ion-ion akibat induksi dari tekanan gelombang akustik. Menurut Urick (1983), molecular relaxation merupakan penyebab utama terjadinya absorption loss pada frekuensi akustik di bawah 100 kHz. Pada frekuensi tinggi (lebih dari 500 kHz), perubahan tekanan akustik terlalu cepat sehingga tidak terjadi molecular relaxation, dan tidak terjadi penyerapan energi akustik. Sedangkan pada frekuensi kurang dari 2 kHz, akan terjadi absorption loss yang disebabkan oleh boric acid relaxation
(Waite 2002).
α = A dB/kyd ... (6)
dimana S = salinitas, dalam part per thousand (ppt)
A = konstanta, yang nilainya 1.86x
B = konstanta, yang nilainya 2.68x
f = frekuensi, dalam kHz
fT
f
= frekuensi relaksasi yang bergantung pada suhu, besarnya
T
dengan T adalah suhu perairan, dalam derajad Celcius.
= 21.9 x (kHz) ... (7)
Penggabungan pengaruh absorption loss dan spherical spreading pada perambatan gelombang akustik akan memberikan nilai transmission loss sesuai dengan persamaan (Urick 1983),
TL = 20 log r+ αr x ... (8)
dimana faktor dimasukkan karena α biasa dinyatakan dalam dB/km (atau dB/kyard).
2.4 Proses-Proses Akustik pada Dasar Perairan
meliputi refleksi (pemantulan), transmisi (pembiasan), dan scattering (hamburan) (Lurton 2002).
2.4.1 Refleksi dan Transmisi
Proses refleksi dan transmisi gelombang akustik yang mengenai dasar perairan mengikuti hukum Snell-Descartes,
sin θ₁ / c1 = sin θ2 / c2
dimana besarnya sudut datang sama dengan sudut pantul (θ₁), dan gelombang yang ditransmisikan akan merambat dalam arah yang berbeda dengan gelombang datang (θ
... (9)
2), sesuai dengan perubahan kecepatan suara yang terjadi dari medium
pertama (c1) ke medium kedua (c2) (Gambar 4).
Sumber : Lurton 2002
Gambar 4 Refleksi dan transmisi gelombang akustik pada bidang batas antara dua medium.
Amplitudo dari gelombang refleksi dan transmisi ditunjukkan oleh koefisien refleksi (V) dan koefisien transmisinya (W) yang memiliki keterkaitan W
= 1 + V. Menurut Lurton (2002), gelombang akustik yang merambat dengan sudut datang (θ₁) dari medium pertama dengan densitas (ρ1) dan kecepatan suara (c1) menuju medium kedua dengan densitas (ρ2) dan kecepatan suara (c2
V(θ₁) =
), akan memiliki nilai V dan W sesuai dengan persamaan,
Pada kasus normal incidence dimana sudut datang vertikal (θ₁ = 0), maka persamaan (10) akan menjadi,
V(θ₁ = 0) =
W(θ₁ = 0) = ... (11)
dimana Z (=ρc) adalah besaran impedansi akustik (acoustic impedance) medium yang bersangkutan.
Apabila acoustic impedance medium yang kedua nilainya jauh lebih besar atau jauh lebih kecil, bila dibandingkan dengan medium yang pertama, maka praktis tidak terjadi kehilangan energi. Koefisien refleksi akan mendekati nilai V = 1 ( ), atau V = - 1 ( ), tidak terpengaruh oleh besarnya sudut datang. Dalam akustik bawah air, permukaan pada bidang batas air dengan udara dapat dianggap sebagai reflektor yang sempurna, karena kontras impedance antara kedua medium mendekati 3x . Kontras impedance antara air dengan hard
sediment ( dan c2
2.4.2 Reverberation
1800 m/s) hanya sekitar 2.4 sehingga
bukan merupakan reflektor yang sempurna. Jackson dan Richardson (2007) menyatakan bahwa refleksi dasar laut pada vertical incidence telah menjadi cara yang penting dalam pengklasifikasian sedimen.
Gelombang akustik yang ditransmisikan ke bawah permukaan laut akan mengalami hamburan (scattering) yang disebabkan oleh organisme laut, material-material yang terdistribusi dalam laut, struktur tidak homogen dalam air laut, seperti halnya refleksi oleh permukaan dan dasar laut. Bagian dari energi akustik awal yang mengenai suatu obyek dan dipantulkan kembali ke sumber dinamakan
backscattering (Waite 2002).
Dalam bidang akustik bawah air dikenal istilah reverberation, merujuk pada semua energi akustik yang dikembalikan ke sistem sonar, yang berasal dari segala sesuatu selain echo dari target yang diinginkan. Reverberation merupakan salah satu proses penting yang mempengaruhi sinyal akustik bawah air.
Sumber : Lurton 2002
Gambar 5 Reverberation yang disebabkan oleh kolom air, dasar perairan dan permukaan air.
Menurut Urick (1983), besaran reverberation level (RL) merupakan intensitas dalam unit decibel dari transmisi gelombang bidang yang menghasilkan output yang sama pada hidrofon seperti pada reverberation yang teramati (Gambar 6). Penghambur (scatterer) yang berdimensi volume, akan menghasilkan
volume reverberation level (RLv) sesuai dengan persamaan,
... (12)
dimana SL = source level (dB)
= volume backscattering strength = volume backscattering cross section
V = volume reverberation
c = kecepatan suara (m/s) = panjang pulsa (s)
Sumber : Urick 1983
Gambar 6 Geometri dari volume scattering.
Penghambur yang berdimensi permukaan (surface) seperti pada permukaan dasar laut (Gambar 7), akan menghasilkan surface reverberation level (RLs) sesuai dengan persamaan,
... (13)
dimana = surface backscattering strength = surface backscattering cross section
A = Area reverberation
= beam equivalent aperture in the horizontal plane
Parameter backscattering strength pada dasarnya identik dengan parameter
Sumber : Urick 1983
Gambar 7 Geometri dari surface scattering.
2.5 Pendekatan Akustik terhadap Dasar Perairan
Dasar perairan merupakan pemantul (reflektor) dan penghambur
(scatterer) yang efektif terhadap gelombang akustik yang mengenainya serta bersifat mendistribusikan kembali gelombang yang datang (Urick 1983). Pada permukaan dasar perairan yang halus (smooth) dimana kontras acoustic impedance antara air dengan bottom adalah besar, maka sebagian besar energi gelombang yang datang akan dipantulkan, dan hanya sebagian kecil yang dihamburkan. Pada kasus permukaan dasar perairan yang kasar (rough), maka seluruh energi akustik akan dihamburkan. Untuk kontras acoustic impedance yang kecil antara air dengan bottom, maka energi gelombang akustik yang mengenai dasar perairan mampu menembus ke dalam bottom (Gambar 8).
Sumber : Urick 1983
Gambar 8 Pola-pola direksional terhadap gelombang akustik yang mengenai dasar perairan yang memiliki perbedaan kontras acoustic impedance dan tingkat kekasarannya.
Sumber : Collins dan Lacroix 1997
Gambar 9 Contoh hipotetik dua dasar perairan dan echo trace yang ditunjukkan. Simbol t melambangkan echo trace dalam waktu.
Sumber : Burczynski 2002
Gambar 10 Bentuk echo dasar perairan yang keras (hard) dan lunak (soft); a). Amplitudo sinyal echo b). Kurva energi kumulatif.
Selain kekasaran dan kekerasan dasar laut, perbedaan densitas antara air laut dan dasar laut, amplitudo dan bentuk sinyal akustik yang dipantulkan oleh dasar laut juga dipengaruhi oleh reverberation di dalam substrat (Watt & Eng 1999; Penrose et al. 2005).
Penelitian terdahulu menunjukkan bahwa reverberation level dari dasar perairan yang berbatu adalah lebih besar daripada dasar perairan yang berlumpur. Hal ini menjadi landasan untuk mengaitkan bottom backscattering strength (Sb)
dengan jenis material dasar laut seperti lumpur, lanau, pasir, bongkah, rock, meskipun pada kenyataannya ukuran partikel penyusun sedimen dasar laut hanya merupakan indikator secara tidak langsung terhadap acoustic scattering (Urick 1983; Waite 2002).
Backscattering strength dasar perairan nilainya bervariasi terhadap grazing angle, frekuensi akustik yang digunakan, serta material penyusun dasar perairan. Namun demikian nilainya dapat dianggap konstan pada frekuensi hingga 10 kHz dan grazing angle hingga 10º. Menurut Waite (2002), berdasarkan survei di perairan dangkal UK, nilai bottom backscattering strength bervariasi mulai dari yang rendah (– 45 dB) yaitu untuk lumpur, hingga tinggi (- 25 dB) untuk batuan
Sumber : Waite 2002
Gambar 11 Distribusi nilai bottom backscattering strength untuk perairan dangkal.
Sumber : Urick 1983
Gambar 12 Variasi frekuensi pada bottom backscattering strength. Simbol titik untuk grazing angle 30º; simbol huruf untuk grazing angle 10º.
Urick (1983) mengatakan bahwa berdasarkan kompilasi pengukuran
ketergantungan yang nyata pada frekensi kisaran 0.53 – 100 kHz (Gambar 12 dan 13).
Sumber : Urick 1983
Gambar 13 Kurva bottom backscattering strength sebagai fungsi grazing angle
untuk berbagai tipe substrat.
Pada akhirnya, refleksi dasar laut untuk vertical incidence telah menjadi cara yang penting dalam klasifikasi sedimen (Jackson & Richardson 2007). Echo
akustik dari dasar laut ini mengandung informasi tentang backscatter, bottom reverberation dan spectral frequencies yang memiliki keterkaitan langsung dengan karakter dasar laut, seperti roughness, tipe sedimen, distribusi ukuran butir
(grain size), porositas, dan densitas material. Klasifikasi dasar laut secara akustik merupakan pengorganisasian dasar laut menjadi tipe-tipe dasar laut berdasarkan karakteristik dari respon akustiknya (Watt & Eng 1999).
3 METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Waktu dan Lokasi Penelitian 3.1.1 Single Beam Echo Sounder
Penelitian dengan menggunakan instrumen single beam echo sounder
dilaksanakan pada tanggal 14 April – 15 April 2012, berlokasi di perairan sekitar Pulau Kongsi dan Pulau Burung yang termasuk dalam gugusan Pulau Pari, Kepulauan Seribu – Jakarta Utara. dengan kedalaman relatif dangkal yang berkisar antara 2 – 4 m. Pemilihan lokasi diusahakan memiliki tipe sedimen yang berlainan sehingga data akustik yang akan didapat bisa mewakili tipe substrat yang berbeda. Gambar 14 menunjukkan peta lokasi penelitian.
Pengolahan data akustik single beam dilakukan di Laboratorium Akustik dan Instrumentasi Kelautan, Departemen Ilmu dan Teknologi Kelautan, FPIK – IPB. Analisis sampel sedimen dilakukan di Laboratorium Fisika Tanah, Balai Penelitian Tanah – Bogor.
3.1.2 Multi Beam Echo Sounder
Untuk multi beam, penelitian ini mengambil lokasi pengkajian di perairan Teluk Buyat, Kabupaten Minahasa, Propinsi Sulawesi Utara, yang telah disurvei pada tanggal 17 September 2011 menggunakan Kapal Riset Baruna Jaya IV milik BPPT. Area survei dibatasi oleh koordinat : 124º 42’ 04” – 124º 42’ 26” Bujur Timur, dan 0º 50’ 03” – 0º 50’ 28” Lintang Utara. Gambar 15 dan 16 menunjukkan lokasi pengkajian. Transek survei ditunjukkan pada Gambar 17.
Gambar 15 Lokasi pengkajian data multibeam.
Sumber : citra satelit Google Earth
3.2 Perangkat dan Peralatan Penelitian 3.2.1 Single Beam Echo Sounder
3.2.1.(1) Instrumen Cruzpro PcFF80 PC Fishfinder
Pengambilan data akustik menggunakan perangkat Cruzpro PcFF80 PC Fishfinder. Alat ini terdiri dari tiga bagian yaitu interface black box (RS-232 serial data), transduser single beam, dan software yang dijalankan di PC. Frekuensi transduser tersedia dua pilihan yaitu 50 kHz dan 200 kHz. Data akustik akan terlihat pada layar monitor dalam bentuk grafik analog yang menggambarkan kekuatan sinyal echo dari target. Pada layar monitor juga bisa ditampilkan posisi kapal (lintang – bujur) serta kecepatan kapal, dengan syarat interface black box harus terhubung dengan GPS. Spesifikasi alat Cruzpro PcFF80 PC Fishfinder dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2 Spesifikasi alat Cruzpro PcFF80 PC Fishfinder
Spesifikasi Cruzpro PcFF80 PC Fishfinder
Operation setting
Operating Voltage 9.5 to 16.0 VDC, 0.05 amps nominal, 4.7 amps peak at max power
Output Power 2560 watts peak-to-peak (320W RMS). 25KW DSP processed power (3200 WRMS)
Depth Capability Minimum Depth - 3 feet (1m) 1000 feet or more at 200kHz for both shallow and deep water high resolution 2500 Feet or more at 50kHz - See
screenshot with PcFF80 working at 2750 feet (840 m) and also see screenshot of PcFF80 detecting fish at 680 feet (207 m).
Operating temperature 0 to 50 deg Celsius ( 32 to 122 deg Fahrenheit)
Interface Box 100 x 80 x 50 mm (4 x 3.2 x 2 inch). Powder Coated Aluminum Extrusion Transducer Dual Frequency 50/200kHz,
Spesifikasi alat Cruzpro PcFF80 PC Fishfinder (lanjutan)
Spesifikasi Operation setting
Signal Processing 2 analog and 2 Digital Processing (DSP) modes
Analog Mode #1: Fixed gain
Analog Mode #2: Time varying gain (TVG)
DSP Mode #1: Using correlation DSP Mode #2: Using quadrature correlation
3.2.1.(2) Alat Pengambil Contoh Sedimen
Pengambilan contoh sedimen dilakukan dengan menggunakan pipa paralon berdiameter 8 cm (3 inch) panjang 10 cm yang ditancapkan tegak lurus ke dasar perairan (Gambar 18).
Gambar 18 Pipa paralon ukuran 3 inch panjang 10 cm.
Tabel 3 Peralatan yang digunakan dalam penelitian akustik dasar perairan
Alat dan bahan Jenis Kegunaan
Fishfinder CruzPro PcFF80 PC Sonar Fishfinder
Pengambilan data akustik
GPS Garmin 12 XL Penentuan posisi
Notebook/Laptop Toshiba A-275 Pemrosesan dan penyimpanan data
Pipa paralon PVC 3 inch panjang 10 cm
3.2.2 Multi Beam Echo Sounder 3.2.2.(1) Elac Seabeam 1050D
Multi beam Elac Seabeam 1050D adalah sistem peralatan untuk mengumpulkan data batimetri dan data backscatter, merupakan hasil kombinasi dari kinerja sistem Multi beam Seabeam 1180 dan Seabeam 1050; memiliki 126 beam dengan sudut bukaan sebesar 1.5º untuk tiap-tiap beam. Sistem ini dapat dioperasikan pada laut dangkal dan laut dengan kedalaman medium, yaitu tidak lebih dari 3000 meter, memiliki kemampuan untuk memetakan wilayah laut secara luas dengan lebar sapuan mencapai 153°. Gambar 19 menunjukkan transducer Elac Seabeam 1050D.
Gambar 19 Transducer Elac Seabeam 1050D (Sumber : L-3 Communications Elac Nautic GmbH).
(a).
(b).
Daya jangkau sapuan alat multi beam Elac Seabeam 1050D dapat disesuaikan dengan sudut pancaran (lebar beam) yang diatur sebesar 153°, 131°, 108°, 86°, 63°, dan 41°, dengan masing-masing jangkauan adalah 8.3 kali kedalaman, 4.4 kali kedalaman, 2.7 kali kedalaman, 1.9 kali kedalaman, 1.2 kali kedalaman, dan 0.7 kali kedalaman. Sebagai contoh, untuk kedalaman 500 meter, sudut pancaran 153°, maka jangkauannya adalah sebesar 8.3 x 500 = 4100 meter. Spesifikasi alat dapat dilihat pada Tabel 4.
Tabel 4 Spesifikasi teknis multi beam Elac Seabeam 1050D
Specifications Frequency
50 kHz 180 kHz
Number of Beams 126 (fewer selectable) 126 (fewer selectable)
Beam Width 153° 153°
Sidelobe Suppression 36 dB (transmission and reception)
36 dB (transmission and reception)
Survey Speed up to 16 knot for continuous seafloor coverage
up to 16 knot for continuous seafloor coverage
Sonar Processor Unit (SEE 30) :
Dimensions: 480 x 540 x 360 mm Weight: approx. 33 kg
Transducer (LSE 237) :
Dimensions: 530 x 290 mm each Weight w/ cable: 60 kg
Transducer (LSE 307) :
Dimensions: 390 x 280 mm each Weight w/o cable: 17 kg
Motion : DMS-2, Octans, POS M/V, MRU 5
Heading : NMEA 0183 standard, sentence HDT
Position : NMEA 0183 standard, sentence GGA or VTG Sound Velocity : Data input via RS 232
3.2.2.(2) Coda Octopus F-180
Peralatan ini digunakan untuk menentukan posisi geografis dengan sistem navigasi inersial dimana pengukuran gerakan inersial kapal diintegrasikan dengan arah geografis kapal secara real time, kontinyu dan presisi (BPPT 2010). Sistem ini terdiri dari : Inertial Measurement Unit (IMU) dan receiver GPS dengan dua antena. Fungsi alat ini untuk pengukuran teliti gerakan rotasi kapal (attitude) dan posisi geografis yang cocok digunakan untuk aplikasi survei hidrografi.
Secara keseluruhan peralatan yang digunakan dalam survei multi beam ini dapat dilihat pada Tabel 5.
Tabel 5 Alat dan bahan yang digunakan dalam survei multi beam
Alat dan bahan Jenis Kegunaan
MBES (Multi Beam Echo Sounder)
Elac Seabeam 1050D
Pengambilan data batimetri dan data akustik dasar laut Sistem Navigasi Coda Octopus
F-180
Untuk sistem penentuan posisi secara real time Software Navigasi Hypack Untuk mengolah dan
menampilkan data navigasi yang berasal dari Coda Octopus F-180
Software Akuisisi data multibeam
Hydrostar Untuk mengontrol dan menampilkan sistem multi Alat penginti comot Grab sampler Untuk mengambil contoh
Pengambilan data akustik dilakukan menggunakan instrumen CruzPro PcFF80 PC Sonar Fishfinder. Gelombang suara dipancarkan secara vertikal ke dasar perairan melalui transmitting transducer. Selanjutnya gelombang suara yang dipantulkan oleh dasar perairan akan diterima oleh receiving transducer. Alat ini dioperasikan pada frekuensi 200 kHz, power yang ditransmisikan 80 watt
(adjustable), source level sebesar 163 dB re 1 μPa/1 m, serta kecepatan rambat suara dalam medium air laut sebesar 1546.8 m/dtk.
Pada saat pengambilan data akustik, kapal diatur pada posisi stasiun yang telah ditetapkan, kemudian diikat dengan menggunakan jangkar pada bagian haluan dan buritannya, sehingga diharapkan kondisi kapal diam/stasioner. Kondisi seperti ini diharapkan data akustik yang direkam hanya berasal dari tipe substrat dasar perairan. Diagram alir pengambilan data akustik dapat dilihat pada Gambar 21.
3.3.1.(2) Pengambilan Contoh Sedimen
Pengambilan contoh sedimen dilakukan pada 9 stasiun pengamatan yang memiliki data akustik. Lokasi stasiun pengamatan berada di perairan sekitar Pulau Kongsi dan Pulau Burung yang berada dalam gugusan Pulau Pari. Proses pengambilan contoh sedimen dilakukan melalui penyelaman dengan menggunakan pipa paralon panjang 10 cm berdiameter 8 cm (3 inch) yang ditancapkan secara tegak lurus ke dalam dasar perairan. Selanjutnya contoh sedimen dibiarkan berada dalam paralon, kemudian ujung atas dan ujung bawah paralon ditutup dengan penutup paralon. Contoh sedimen dari 9 stasiun pengamatan ini kemudian dibawa ke laboratorium untuk dianalisis, meliputi analisis tekstur, porositas, dan densitas.
3.3.2 Multi Beam Echo Sounder 3.3.2.(1) Pengambilan Data Akustik
Pengambilan data akustik yang berupa data kedalaman dan backscatter
menggunakan instrumen Elac Seabeam 1050D multi beam echo sounder yang dioperasikan pada frekuensi 180 kHz. Data multi beam yang diperoleh merupakan data yang telah terkoreksi terhadap pergerakan kapal seperti pitch, roll, yaw,dan
heading. Koreksi tersebut dilakukan menggunakan sensor attitude and positioning Coda Octopus F-180. Koreksi posisi sensor dan transduser (offset correction)
yang digunakan terhadap center line kapal BJ IV dilakukan dengan menggunakan DGPS Sea Star 8200 VB.
Gambar 22 Diagram alir sistem kerja Multibeam Elac Seabeam 1050D.
3.4 Metode Pengolahan Data 3.4.1 Single Beam Echo Sounder 3.4.1.(1) Pengolahan Data Akustik
Data yang diperoleh dari instrumen CruzPro PcFF80 PC Sonar Fishfinder
dalam bentuk raw data (echogram) selanjutnya diekstrak dengan menggunakan software Excel. Nilai-nilai amplitudo yang ditampilkan menggambarkan kekuatan
echo atau gelombang suara yang dipantulkan oleh dasar perairan. Nilai-nilai ini kemudian disimpan dalam format *txt untuk selanjutnya ditampilkan dalam
workspace Matlab. Kemudian dengan menggunakan program Matlab, data diolah lebih lanjut sehingga bisa didapatkan nilai-nilai untuk beberapa parameter akustik yang berkaitan dengan dasar perairan serta bisa dimunculkan echogram pada tiap – tiap stasiun. Parameter – parameter akustik ini meliputi Surface Backscattering Strength (SS), Volume Backscattering Strength (SV), dan Echo Level (EL).
3.4.2 Multibeam Echo Sounder
3.4.2.(1) Pengolahan Data Backscatter
Sumber : Diaz 2000
Gambar 23 Pola ensonifikasi multibeam. Elips pada bagian kiri menunjukkan intensitas dalam beam (grayscale). Elips pada bagian kanan menunjukkan
time series traces untuk beam yang sama pada panjang pulsa tertentu.
Untuk mendapatkan data backscatter dari dasar laut, digunakan perangkat lunak MBSystem yang berbasis lynux Poseidon. Tahapan langkah-langkah pengolahan data backscatter mengacu pada Schmidt et al. (2004). Terhadap raw data .*XSE, pertama diterapkan mbclean, yaitu proses filter terhadap beam-beam yang nilainya buruk, berlangsung secara otomatis. Selanjutnya mbedit, yaitu proses identifikasi data batimetri swath sonar yang masih dikategorikan buruk. Beam yang tergolong buruk divisualisasikan berwarna, sehingga bisa dilakukan pengeditan. Pada proses ini dilakukan pengeditan secara manual pada tiap line.
Mbnavedit, merupakan proses koreksi terhadap navigasi data swath sonar akibat pengaruh heave, pitch, dan roll, dimana data-data yang outlier bisa dihilangkan.
Mbvelocitytool, adalah proses untuk mengalibrasi nilai kecepatan suara sepanjang lintasan survei, dengan cara memeriksa sound velocity profile (SVP)
yang didapatkan dari file data swath, CTD atau dari database, dan selanjutnya mengoreksi profil kecepatan suara yang salah, disesuaikan dengan SVP yang benar. Proses mbvelocitytool akan melakukan perhitungan ulang batimetri sesuai dengan raytracing pada model SVP.
sebagai fungsi dari grazing angle dengan dasar laut. File yang dihasilkan berekstensi .*aga. File ini mengandung tabel sederet amplitudo vs grazing angle.
Tahapan terakhir adalah mbprocess, yaitu proses untuk menggabungkan seluruh kalibrasi yang telah dilakukan, meliputi : merging navigation, perhitungan kembali batimetri berdasarkan waktu tempuh dan data sudut raytracing melalui model kecepatan suara pada perlapisan air, perubahan draft kapal, roll bias, pitch bias, pengeditan batimetri, serta koreksi nilai amplitudo beam sehingga dihasilkan keluaran dengan format tertentu. Data awal yang semula berekstensi .*XSE berubah menjadi .*mb94. Gambar 24 menunjukkan diagram alir pengolahan data
backscatter.
3.4.2.(2) Pengolahan Data Batimetri
Survei multi beam akan menghasilkan permukaan batimetri . Permukaan ini merupakan hasil dari serangkaian proses meliputi kalibrasi, filtering, reduksi,
gridding dan smoothing. Pengolahan data batimetri dilakukan dengan menggunakan software Caris HIPS and SIPS versi 6.1.
Tahap awal pengolahan data adalah pembuatan file kapal (vessel file)
dalam format HVF (HIPS Vessel File). HVF mengandung informasi yang diperlukan (seperti sensor offset yang direferensikan terhadap titik pusat gravitasi kapal) untuk mengkombinasikan semua data sensor sehingga dihasilkan posisi akhir/rekaman kedalaman. Beberapa sensor yang berpengaruh terhadap ketelitian data posisi batimetri antara lain sensor transducer, antena GPS, dan sensor gerak inersial. Ketiga sensor ini memiliki nilai jarak offset terhadap salib sumbu kapal sebagai kerangka acuan (Gambar 25). Dalam koreksi offset, jarak dari masing – masing sensor ke salib sumbu dibuat nol sehingga ketiga sensor tersebut diasumsikan berhimpit dalam satu titik yaitu titik RP (Reference Point) yang terletak di tengah – tengah salib sumbu. Titik RP berada pada pusat gravitasi kapal, dan digunakan sebagai pusat gerakan rotasi kapal pada saat mengaplikasikan parameter – parameter heave, roll, dan pitch.
Sumber : Caris Training Manual 2006
Gambar 25 Salib sumbu kapal.
TXPOS_P_X = -0.185 (transducer position port side X axis)
Antena GPS terpasang di atas anjungan kapal. Nilai offset navigasi yang terdapat di dalam ship parameter adalah :
NAVPOS_X = 0.0 NAVPOS_Y = 0.0 NAVPOS_Z = -4.6
Sensor gerak inersial memiliki nilai offset sebagai berikut : HRPPOS_X = -0.98 (heave roll pitch position X axis) HRPPOS_Y = -0.23 (heave roll pitch position Y axis) HRPPOS_Z = -4.66 (heave roll pitch position Z axis)
Pengaturan tanggal pada pembuatan file kapal ini disesuaikan dengan tanggal pada saat akuisisi data dilaksanakan. Langkah selanjutnya adalah pembuatan proyek baru (create new project), dimana penamaan proyek tidak boleh menggunakan spasi.
Berikutnya adalah proses convert raw data dimana file raw data dengan ekstensi .XSE yang merupakan hasil akuisisi data lapangan dikonversi menjadi file dengan ekstensi .hsf menggunakan menu conversion wizard. Pada tahap ini data batimetri sudah bisa diolah dengan menggunakan software Caris HIPS & SIPS 6.1.
tindih. Sehingga perlu dikoreksi untuk menjaga kualitas data tetap baik. Gambar 26 menunjukkan contoh koreksi terhadap kecepatan kapal.
Attitude editor adalah proses untuk memanipulasi dan memfilter data sensor, yaitu data gyro, data heave, data pitch, dan data roll. Gambar 27 menunjukkan contoh koreksi terhadap attitude kapal yang dilakukan pada menu
attitude editor.
Setelah proses editing data, langkah selanjutnya adalah memasukkan parameter-parameter yang mempengaruhi nilai kedalaman, yaitu kecepatan gelombang suara dan pasang surut melalui menu sound velocity correction dan
load tide.
Gambar 27 Koreksi terhadap attitude kapal.
Gambar 28 Sound Velocity Profile di area survei multibeam.
Pasang surut merupakan fluktuasi muka air laut yang disebabkan oleh gaya tarik benda – benda di langit, terutama matahari dan bulan terhadap masa air laut di bumi. Perubahan permukaan air laut akibat perubahan pasang surut laut diperhitungkan sebagai koreksi pasut. Mengacu pada koreksi pasut ini, semua titik kedalaman diukur terhadap bidang acuan yang sama yaitu Mean Sea Level (MSL).
Pengukuran pasang surut di area survei multi beam dilakukan dengan menggunakan instrumen Tide Gauge Valeport 740 selama sepuluh hari, dengan interval waktu pengamatan setiap 10 menit. Gambar 29 menunjukkan kurva pasang surut di lokasi penelitian dimana sumbu x adalah waktu perekaman data, dan sumbu y merupakan level ketinggian permukaan air (m).
Hasilnya berupa kedalaman sepanjang along-track dan across-track untuk tiap beam. Yang kedua adalah proses merge yang akan mengubah kedalaman sepanjang along-track dan across-track untuk tiap beam, menjadi kedalaman berdasarkan posisi lintang bujurnya. Dalam proses merge diperhitungkan offset horisontal dan offset vertikal dalam file HVF, serta parameter-parameter seperti : nilai kedalaman yang teramati, navigasi, gyro, pasang surut, parameter kalibrasi, serta gerakan sensor data (heave, pitch, roll).
Selanjutnya adalah mendefinisikan lembar lapangan baru (new field sheet)
dimana penamaannya tidak boleh mengandung spasi serta membuat BASE surface (Bathymetry Associated with Statistical Error) di dalam lembar lapangan. BASE surface terdiri dari 3 pilihan yaitu : Swath angle surface, Uncertainty surface, dan
CUBE surface (Combined Uncertainty and Bathymetry Estimator). Ketiga tipe surface ini akan menghasilkan smooth surface yang tetap mempertahankan resolusi sonarnya.
Berikutnya adalah process swath data dengan menggunakan menu swath editor, yang bertujuan untuk membersihkan data sounding, memfilter data swath, serta menghilangkan artifact refraksi. Kemudian process subset data yaitu dengan membagi-bagi lembar lapangan menjadi beberapa area yang lebih kecil (subset). Proses ini bertujuan untuk pengeditan dan pemeriksaan data kedalaman. Gambar 30 menunjukkan contoh koreksi swath yang dilakukan terhadap line_006. Beam
yang berasal dari transducer lambung kanan kapal dilambangkan dengan warna hijau, sedangkan yang berasal dari transducer lambung kiri dilambangkan dengan warna merah. Beam yang berwarna kuning merupakan outlier sehingga harus di
Gambar 30 Koreksi swath pada line_006.
Dilanjutkan dengan proses finalisasi BASE surface, yaitu untuk perhitungan dan pembentukan ulang BASE surface, serta tipe terakhir dari BASE surface yang akan dipilih.
3.4.2.(3) Identifikasi Jenis Sedimen Dasar Laut
Untuk dapat melakukan identifikasi jenis sedimen dasar laut, diperlukan pengetahuan tentang sebaran nilai amplitudo pada data coring yang ada. Setiap sampel coring memiliki titik koordinat pada saat pengambilan data. Kemudian dari hasil pengolahan data backscatter, diekstrak data yang berupa koordinat, beam, kedalaman, dan amplitudo kemudian disimpan dalam suatu file berekstensi.*txt. Untuk mengetahui jenis sedimen dasar laut, dilakukan pencocokan koordinat pada sampel coring dan hasil ekstrakan. Berdasarkan nilai amplitudo pada titik koordinat yang sama ini, maka dapat ditentukan jenis sedimennya.
3.5 Metode Analisis Data
3.5.1 Single Beam Echo Sounder
3.5.1.(1) Komputasi Acoustic Bottom Backscattering
Konsep “scattering strength” dimunculkan untuk mengkuantifikasi scattering yang berasal dari dasar laut maupun permukaan laut. Sedangkan “backscattering strength” merujuk pada bagian dari gelombang akustik yang dipantulkan kembali ke arah pemancar pada sistem sonar monostatik (Urick 1983).
Acoustic bottom backscattering terdiri dari beberapa besaran yaitu surface backscattering strength (SS), volume backscattering strength (SV), dan echo level (EL). Nilai SS diperoleh dengan menggunakan persamaan (Manik 2012) :
SS = – RS – SL + 2TL + VR + AG ;
VR = 20log A ;
A = ... (14)
dimana RS = Receiving Sensitivity
SL = Source Level
TL = Transmission Loss
VR = Voltage Receiving (dB)
AG = Amplifier Gain
DN = Digital Number.
Untuk nilai SV diperoleh dengan menggunakan formula Manik (2011)
Ss equivalent beam angle for surface scattering, = equivalent beam angle for volume scattering.
Sv = Ss
Dalam satuan decibel, persamaan (16) dapat dituliskan sebagai
(2 / cτ) ... (16)
SV = SS – 10 log (cτ / 2) ... (17)
dimana SV = 10 log Sv, dan SS = 10 log Ss
Kemudian untuk menghitung nilai intensitas echo maksimum (EL) digunakan persamaan (Lurton, 2002) :
.
EL = SL – 2TL + SS ... (18)
3.5.1.(2) Komputasi Acoustic Reflection Sedimen Dasar Perairan.
Meskipun dasar laut bukan merupakan permukaan yang rata dan homogen, namun pengidealan kondisi permukaan dasar laut sangat bermanfaat untuk keperluan komputasi, sehingga memungkinkan untuk mendefinisikan besaran koefisien refleksi.
Koefisien refleksi (R) merupakan besaran yang tidak berdimensi yang didefinisikan sebagai perbandingan antara energi tekanan gelombang suara yang dipantulkan (Pr) dengan energi tekanan gelombang suara yang datang mengenai
dasar perairan (Pi). Secara matematis dinyatakan sebagai (Medwin & Clay 1998)
Pada kondisi normal incidence dimana gelombang suara yang datang mengenai dasar perairan adalah tegak lurus terhadap permukaan dasar perairan, maka koefisien refleksi dapat dinyatakan dalam besaran impedansi akustik, sebagai :
= ... (20)
dimana Z1, ρ1, c1 dan Z2, ρ2, c2
Kadang-kadang besaran koefisien refleksi dinamakan juga sebagai Bottom Loss (BL) yang dinyatakan dalam decibel (dB) sebagai bilangan positif (Medwin & Clay 1998) dalam bentuk logaritma, yaitu :
masing-masing adalah impedansi akustik, densitas dan kecepatan suara di kolom air dan lapisan sedimen pertama.
BL = - 20 log10 R ... (21)
3.5.1.(3) Analisis Sedimen
Contoh sedimen yang berasal dari sembilan stasiun selanjutnya dianalisis sifat fisiknya seperti tekstur, densitas dan porositas dari sedimen tersebut (ruang pori total). Hasil analisis ini akan digunakan sebagai data pembanding dari hasil hidroakustik.
Tekstur sedimen adalah susunan relatif dari besar butir sedimen, terdiri dari pasir berukuran 2-0.0625 mm, lanau berukuran 0.0625-0.0039 mm dan liat berukuran 0.0039-0.0002 mm (Thurman 1993). Penetapan tekstur sedimen dilakukan dengan menggunakan metode ayakan bertingkat untuk memisahkan butiran sedimen berdasarkan fraksi ukuran butiran. Adapun langkah-langkahnya sebagai berikut:
1. Contoh sedimen diambil minimal 100 gram basah beratnya.
2. Substrat tersebut kemudian dikeringkan dalam oven dengan suhu 100 ºC sampai benar-benar kering (± 24 jam).
5. Selanjutnya ditambahkan H2O2 30% sebanyak 100 ml dan HCl 0,2 N 100 ml (untuk melarutkan CaCO₃) kemudian dididihkan selama 20 menit untuk
menghilangkan bahan organik.
6. Kemudian ditambahkan air sambil diaduk, lalu didiamkan selama satu malam. 7. Fraksi pasir dipisahkan dari lanau dan liat dengan menggunakan ayakan berukuran 325 mesh (mesh = banyaknya lubang (hole) dalam 1 mm²).
8. Hasil ayakan ini kemudian dimasukkan ke dalam Shieve shaker (5 ukuran mata ayakan) untuk kemudian diayak lagi sehingga menghasilkan 5 ukuran besar butir sedimen yang nantinya akan digolongkan ke dalam substrat pasir.
9. Hasil lain dari ayakan berukuran 325 mesh dalam keadaan cair ditambahkan 50 ml larutan Na2P2O7 . 10H2O (Natrium-hexametafosfat). Selanjutnya dianalisis untuk mengetahui substrat lanau dan liat yang dilakukan dengan cara pemipetan dengan ukuran pipet 20 cc.
10. Untuk menentukan fraksi lanau, larutan didiamkan selama 1 – 15 menit. Selanjutnya untuk fraksi liat yang memiliki ukuran sangat kecil, maka larutan tersebut didiamkan selama 6 jam sampai 24 jam untuk selanjutnya ditentukan persentasenya.
Selain tekstur sedimen, dilakukan juga analisis ruang pori total (porositas)
dan berat isi (densitas) yang terkandung dalam sedimen. Densitas sedimen merupakan berat suatu volume sedimen dalam keadaan utuh yang dinyatakan dalam g/cc. Sedangkan porositas adalah volume seluruh pori-pori dalam suatu volume sedimen dalam keadaan utuh yang dinyatakan dalam persen. Pengukuran densitas sedimen dilakukan dengan menggunakan ring berukuran tinggi 5 cm dengan diameter 5 cm. Jika densitas telah diketahui, maka ruang pori total dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:
Ruang pori total = ... (22)
