1
BAB I
PENDAHULUAN
I.1. Latar BelakangIndonesia merupakan negara maritim dengan luas lautan yang sangat besar, sehingga dibutuhkan informasi kelautan yang baik dan lengkap, diantaranya ketinggian muka laut untuk mengelola kekayan laut yang dimiliki Indonesia. Ketinggian muka laut di lapangan didapatkan dari pengamatan melalui stasiun pasang surut, namun jumlah stasiun pasang surut yang berada di perairan Indonesia tidak sebanding dengan panjang garis pantai dan luas perairan yang dimiliki Indonesia.
Teknologi satelit altimeter merupakan salah satu teknik penginderaan jauh untuk mengamati kondisi fisik dan tinggi muka laut global secara cepat dan dinamis dari angkasa. Data hasil pengamatan oleh satelit altimeter dapat digunakan dalam berbagai bidang ilmu kelautan, antara lain untuk menentukan SSH (Sea Surface
Height), mengamati tinggi muka air laut, menentukan muka laut rerata, pemodelan
pasang surut dan lainnya. Data SSH dapat digunakan sebagai alternatif sumber data kelautan di Indonesia, mengingat satelit altimeter melakukan pengamatan permukaan laut secara global. SSH hasil pengamatan satelit altimeter mempunyai ketelitian yang tinggi, dengan simpangan baku sekitar 2-3 cm (Jin-Yun dkk 2010). Nilai ketelitian tersebut berkurang saat pengamatan dilakukan di atas perairan dangkal atau sekitar pantai, karena sinyal yang dipancarkan oleh satelit altimeter mengalami gangguan pemantulan oleh adanya daratan.
Data mentah hasil pengamatan satelit altimeter berupa waveform yang merupakan data nilai kekuatan gelombang yang berhasil dipantulkan oleh permukaan luat dan diterima kembali oleh sensor pada satelit. Waveform digunakan untuk mengetahui waktu saat gelombang yang dipancarkan oleh satelit menyentuh permukaan laut, yang selanjutnya dikonversi menjadi data range dan SSH (Vignudelli dkk 2011). Waveform yang dihasilkan pada perairan di sekitar daratan memberikan informasi yang tidak sesuai dengan kondisi permukaan laut, dikarenakan (Vignudelli dkk 2011; Bao dkk 2009): (1) kondisi atmosfer di pesisir yang ekstrem, (2) gangguan pemantulan sinyal satelit oleh daratan dan (3) gangguan pemantulan sinyal pada perairan dengan kedalaman dangkal yang dikarenakan gelombang laut yang terbentuk
pada perairan dangkal cenderung tidak tenang dan pecah, sehingga sinyal yang dipancarkan oleh satelit altimeter mengalami hamburan. Gangguan-gangguan tersebut menyebabkan waveform hasil pengamatan mengandung banyak noise sehingga satelit altimeter menghasilkan nilai range dan SSH yang kurang berkualitas.
Retracking merupakan pre-processing data altimeter, yaitu menentukan
kembali nilai posisi leading edge yang sesuai dengan bentuk dan karakteristik
waveform. Tujuan retracking adalah meningkatkan ketelitian data hasil pengamatan
satelit altimeter, dengan cara menghitung nilai koreksi range berdasarkan data posisi
leading edge hasil retracking (Bao dkk 2009).
Dalam penelitian ini, penulis melakukan retracking data waveform satelit altimeter OSTM/Jason-2 pada perairan Pulau Jawa menggunakan metode (1) Offset
Center of Gravity (OCOG) retracker, (2) threshold retracker, (3) β-retracker dan (4)
E-retracker. Kontrol kualitas data ditentukan dengan menghitung simpangan baku SSH terhadap undulasi geoid EGM2008 serta menganalisis pengaruh kedalaman perairan terhadap kualitas waveform dan SSH hasil retracking, sehingga data pengamatan satelit altimeter OSTM/Jason-2 dapat dipertimbangkan sebagai alternatif sumber informasi kelautan di wilayah pantai dan perairan dangkal.
I.2. Rumusan Masalah
Tersedia data SSH hasil pengamatan satelit altimeter OSTM/Jason-2 di seluruh perairan dunia. Data hasil pengamatan di atas perairan yang dekat dengan daratan dan perairan dangkal memiliki kualitas yang rendah, sehingga perlu dilakukan
pre-processing data waveform untuk meningkatkan kualitas data SSH hasil pengamatan
satelit altimeter OSTM/Jason-2. Berdasarkan permasalahan tersebut maka disusun pertanyaan penelitian:
1. Apakah retracking mampu meningkatkan kualitas SSH sampai pada jarak pengamatan 50 km dari daratan Pulau Jawa?
2. Apakah kualitas data waveform dan SSH hasil pengamatan satelit altimeter dipengaruhi oleh kedalaman perairan dan pola batimetri?
3. Apakah metode retracking yang paling optimal untuk meningkatkan kualitas data SSH perairan Pulau Jawa?
I.3. Tujuan
Tujuan umum yang ingin diperoleh dari penelitian ini mengevaluasi ketelitian hasil retracking data waveform satelit altimeter OSTM/Jason-2. Sedangkan tujuan khusus yang ingin dicapai dari penelitian ini adalah:
1. Mengetahui pola waveform pada perairan Pulau Jawa.
2. Mengetahui kualitas data SSH hasil retracking pada jarak pengamatan 5 km, 10 km dan 50 km dari daratan.
3. Mengetahui pengaruh kedalaman dan pola batimetri terhadap bentuk waveform dan ketelitian SSH.
4. Mengetahui metode retracking yang paling optimal untuk meningkatkan kualitas data satelit altimeter OSTM/Jason-2 di perairan Pulau Jawa.
I.4. Manfaat
Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah:
1. Data altimeter di wilayah pesisir pantai dan perairan dangkal dapat digunakan sebagai alternatif sumber data kelautan, dengan cara melakukan perbaikan kualitas data terlebih dahulu.
2. Dapat digunakan sebagai referensi ilmu pengetahuan dalam bidang pasang surut dan kelautan.
I.5. Batasan Masalah
Pada penelitian ini, masalah dibatasi pada retracking untuk memperbaiki kualitas data SSH perairan dangkal dan perairan pesisir yang diklasifikasi dalam jarak pengamatan 5 km, 10 km dan 50 km dari daratan Pulau Jawa, dari data waveform operasional (sesudah tahun 2012) dan pra-operasional (data tahun 2012 dan sebelumnya) hasil pengamatan satelit altimeter OSTM/Jason-2 menggunakan metode OCOG retracker, metode threshold retracker (dengan nilai threshold 10%, 20% dan 50%), metode β-retracker dan metode E-retracker. Analisis pengaruh kedalaman dan pola batimetri dilakukan untuk mengetahui kualitas data waveform, dimana wavefrom yang berkualitas mempunyai bentuk menyerupai model Brown. Metode retracking yang mampu meningkatkan kualitas data SSH secara optimal ditentukan berdasarkan perbandingan simpangan baku dan Improvement Percentage (IMP) data SSH hasil
I.6. Tinjauan Pustaka
Satelit altimeter merupakan sebuah revolusi teknologi untuk melakukan pengamatan tinggi dan kondisi permukaan laut secara global yang diamat melalui angkasa. Satelit altimeter melakukan pengukuran ketingginan terhadap permukaan laut (range) dengan cara memancarkan gelombang elektromagnetik ke permukaan laut dan diukur waktu perambatan saat pemancaran dan penerimaannya (Pugh 1987). SSH atau Sea Surface Height merupakan beda tinggi antara altitude (ketinggian satelit di atas elipsoid referensi) dan range (tinggi satelit di atas permukaan laut), seperti pada persamaan (1).
𝑆𝑆𝐻 = 𝑎𝑙𝑡𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒 − 𝑟𝑎𝑛𝑔𝑒 ... (1) Gelombang radar yang diterima kembali oleh sensor di satelit altimeter dimodelkan secara dua dimensi dan diberi nama waveform. Waveform memberikan informasi berupa (1) waktu ketika sinyal menyentuh permukaan laut, (2) nilai SWH (Significant Wave Height) dan (3) tipe pantulan berdasarkan bentuk trailing edge, seperti yang dijelaskan dalam Gambar I.1 (Davis 1992). Waktu saat sinyal menyentuh permukaan luat merupakan titik tengah dari leading edge. Satelit altimeter OSTM/Jason-2 menentukan nilai posisi leading edge sebesar 31.
Suatu waveform tersusun dari suatu leading edge dan trailing edge. Leading
edge merupakan nilai pantulan gelombang yang mempunyai nilai semakin besar dan
merepresentasikan saat pertama kali sinyal yang dipancarkan oleh satelit altimeter menyentuh permukaan laut. Trailing edge merupakan bagian waveform yang tersusun dari nilai pantulan gelombang yang mempunyai nilai semakin kecil.
Waveform yang ideal adalah waveform yang mempunyai model menyerupai
model Brown, seperti pada Gambar I.1. Waveform dengan model Brown didapatkan dari pengamatan di atas permukaan laut yang jauh dari daratan dan tidak mengalami gangguan pemantulan sinyal (Vignudelli 2011). Waveform yang terbentuk pada perairan dangkal dan dekat dengan daratan cenderung mempunyai pola yang tidak menyerupai model Brown. Waveform dengan pola yang tidak menyerupai model Brown menandakan bahwa selama pengukuran, sinyal mengalami gangguan pemantulan. Retracking merupakan pengolahan kembali waveform hasil pengamatan satelit altimeter untuk menentukan koreksi range (Bao dkk 2009). Koreksi range didapatkan dari selisih posisi leading edge yang dibawa oleh satelit (on-board) dengan posisi leading edge hasil retracking.
Gambar I.2. Visualisasi data SSH dan undulasi geoid (Fenoglio-Marc 2008) Kemampuan retracking dalam meningkatkan kualitas data satelit altimeter
dilihat dari nilai simpangan baku SSH hasil retracking. Simpangan baku dihitung menggunakan data SSH dan data undulasi geoid (Heliani dkk 2012; Fenoglio-Marc 2008). SSH dengan bentuk yang stabil dan mendekati data undulasi geoid cenderung mempunyai simpangan baku yang bagus, seperti pada penelitian yang dilakukan oleh Fenoglio-Marc (2008) pada Gambar I.2.
I.7. Landasan Teori I.7.1. Satelit Altimeter
1.7.1.1. Prinsip dasar pengamatan satelit altimeter. Satelit altimeter adalah satelit yang membawa instrumen altimeter, yang berfungsi untuk mengukur ketinggian satelit terhadap permukaan laut (Benada 1997). Konsep dasar pengukuran ketinggian yang dilakukan oleh satelit altimeter adalah dengan memancarkan gelombang elektromagnetik ke permukaan laut. Ketinggian satelit altimeter di atas permukaan laut (range) dihitung berdasarkan kecepatan rambat gelombang dan selisih waktu antara pemancaran dan penerimaan gelombang oleh sensor pada satelit (Lee 2008). Prinsip dasar pengukuran yang dilakukan oleh satelit altimeter dijelaskan oleh Gambar I.3.
Gambar I.3. Prinsip dasar pengukuran satelit altimeter (Dumont 2011)
Satelit altimeter merupakan sebuah platform bergerak yang melakukan pengukuran dengan cara mentransmisikan gelombang dalam frekuensi radar menuju
permukaan laut dan menerima kembali gelombang yang dipantulkan oleh permukaan laut, ketinggian yang terukur disebut dengan Range. Altitude merupakan ketinggian satelit altimeter terhadap suatu bidang elipsoid yang menjadi referensi. Altitude terukur oleh data efemeris yang terdapat pada satelit. Ketinggian yang terhitung dari selisih antara altitude dan range dinamakan Sea Surface Height (SSH). SSH merupakan ketinggian permukaan laut yang dihitung dari bidang elipsoid.
Persamaan yang digunakan untuk mendapatkan ketinggian satelit di atas permukaan laut (Range) dijelaskan dalam persaman 2 (Anzenhofer dkk 1999).
𝑅𝑎𝑛𝑔𝑒 = 𝑐(𝑡𝑡−𝑡𝑟)
2 ... (2)
Keterangan:
Range : ketinggian satelit terhadap permukaan laut.
c : kecepatan gelombang elektromagnetik. tt : waktu saat mentransmisikan gelombang.
tr : waktu saat menerima gelombang.
1.7.1.2. Satelit altimeter OSTM/Jason-2. Satelit altimeter Ocean Surface Topography
Mission (OSTM)/Jason-2 merupakan kelanjutan misi dari satelit altimeter
Topex/Poseidon dan Jason-1. Jason-2 merupakan misi yang dilakukan bersama oleh NASA, EUMETSAT, NOAA dan CNES. Jason-2 diluncurkan pada 20 Juni 2008 dan memulai pengambilan data pada 12 Juli 2008. Misi dari Jason-2 adalah melakukan pengukuran yang teliti secara terus menerus untuk keperluan informasi kelautan, dan menyediakan produk operasional untuk melakukan asimilasi dan prediksi data kelautan.
OSTM/Jason-2 melakukan revolusi terhadap bumi, dengan periode 9,9156 hari atau mendekati 10 hari. Selama periode pengorbitan tersebut, OSTM/Jason-2 mengelilingi bumi sebanyak 254 pass (127 kali revolus) dengan ground track seperti pada Gambar I.4 (Dumont 2011). Pass merupakan setengah revolusi OSTM/Jason-2 terhadap bumi, sebuah Ascending Pass OSTM/Jason-2 dimulai dari lintang -66,15 derajat dan berakhir pada lintang +66,15 derajat, dan Descending Pass dimulai dari lintang +66,15 derajat dan berakhir pada lintang -66.15 derajat. Ascending Pass diberi penomoran genap dan Descending Pass diberi penomoran ganjil.
Gambar I.4. Ground track satelit altimeter Jason-2 (Dumont 2011)
1.7.1.2.1. Karakteristik orbit satelit altimeter OSTM/Jason-2. Konfigurasi orbit satelit altimeter OSTM/Jason-2 dirancang untuk menghasilkan pengukuran yang akurat dan teliti. Penentuan orbit satelit dilakukan dengan melakukan pengukuran secara periodik pada tempat yang sama dan pengukuran ketinggian berreferensi pada suatu sistem elipsoid tertentu. Elemen-elemen orbit satelit OSTM/Jason-2 dijelaskan pada Tabel I.1, dan data tambahan mengenai orbit satelit dijelaskan pada Tabel I.2.
Tabel I.1. Elemen orbit satelit Jason-2 (Dumont 2011)
Elemen orbit Nilai
Setengah sumbu panjang 7714,43 km
Eksentrisitas 0,000095
Inklinasi 66,04o
Argumen perigee 90o
Asensio rekta noktah naik 116,56o
Anomali sejati 253.13o
Tabel I.2. Auxiliary data (data tambahan) (Dumont 2011)
Data tambahan Nilai
Ketinggian (ekuator) referensi 1336 km Periode nodal 6745,72 detik Periode pengulangan 9,9156 hari Jumlah revolusi dalam satu siklus 127
Data tambahan Nilai Jarak antar lintasan saat di ekuator 315 km
Inertial nodal rate -2.08o /hari Sudut lintasan saat di ekuator 39,5
Kecepatan orbit 7,2 km/detik
Ground track speed 5,8 km/detik
1.7.1.2.2. Sensor satelit altimeter OSTM/Jason-2. Satelit altimeter OSTM/Jason-2 membawa 8 buah sensor, masing-masing 5 buah sensor yan disediakan oleh NASA dan 3 buah sensor yang disediakan oleh CNES (Dumont 2011), yang dibagi dalam dua kategori yaitu sensor operasional (seperti pada Gambar I.5) dan sensor eksperimental, yang dijelaskan sebagai berikut:
Gambar I.5. Sensor yang terdapat dalam Jason-2 (Dumont 2011)
1. Sensor operasional terdiri dari 3 buah sensor yang disediakan oleh NASA dan 2 buah sensor yang disediakan oleh CNES, sensor-sensor tersebut adalah (Dumont 2011):
a. Poseidon-3 Altimeter
Sensor ini merupakan sensor utama yang digunakan untuk mengukur ketinggian satelit altimeter di atas permukaan laut. Sensor ini beroperasi secara simultan pada dua buha frekuensi yaitu pada frekuensi 13,575 GHz (Ku-band) dan pada frekuensi 5,3 GHz (C-band). Sensor ini disediakan oleh CNES.
b. Advanced Microwave Radiometer (AMR)
Sensor ini menggunakan tiga saluran frekuensi yaitu 18,7 GHz, 23,8 GHz dan 34 GHz. Saluran 23,8 GHz digunakan untuk menghilangkan adanya
uap air di atmosfer, sdeangkan saluran 18,7 GHz dan 34 GHz digunakan untuk meghilangkan pengaruh kecepatan angin dan penutupan awan oleh uap air. Sensor ini disediakan oleh NASA.
c. Dual Frequency Doppler Tracking System Receiver (DORIS)
Sistem DORIS terdiri dari sensor DORIS yang terpasang pada platform dan jaringan stasiun yang terdiri 50 suar yang terdapat di bumi untuk mengamati sinyal Doppler. Sistem DORIS menggunakan receiver dengan dua frekuensi yaitu pada frekeunsi 1401,25 MHz dan 2036,23 MHz. Sistem ini melengkapi jejak satelit cuaca untuk penentuan orbit presisi. Sensor ini disediakan oleh CNES.
d. Laser Reflector Array (LRA)
Sensor ini digunakan untuk melengkapi data penjejakan dalam penentuan orbit presisi dan penentuan kemiringan radar altimeter. Sensor ini disediakan oleh NASA.
e. Penerima sinyal GPS
GPS digunakan untuk menyediakan data posisi satelit yang akan digunakan oleh DORIS, serta digunakan untuk meningkatkan ketelitian penentuan model gaya berat. Sensor ini disediakan oleh NASA.
2. Sensor eksperimental merupakan teknologi baru yang belum ada dalam misi-misi satelit altimeter sebelumnya. Sensor-sensor eksperimental di satelit altimeter OSTM/Jason-2 adalah:
a. CARMEN-2 Radiation Detectors
Sensor ini digunakan untuk mendeteksi adanya partikel berenergi tinggi yang dapat menyebabkan osilator dalam DORIS yang berfungsi untuk menentukan posisi altimeter berjalan kurang stabil. Sensor ini disediakan oleh CNES.
b. A Light Particle Telescope (LPT) Detection Unit
Sensor ini digunakan untuk melengkapi sistem pendeteksi radiasi yang diterima oleh instrumen DORIS. Sensor ini disediakan CNES.
c. Time Transfer by Laser Link (T2L2) detectors
Sensor ini digunakan untuk meningkatkan tingkat presisi waktu transfer data dalam instrumen DORIS. Sensor ini disediakan oleh CNES.
1.7.1.2.3. Geophysical Data Record (GDR). GDR merupakan kategori produk dari satelit altimeter OSTM/Jason-2 yang sudah tervalidasi melalui 3 tahap pemrosesan data, yaitu validasi data telemetri, validasi data akibat kesalahan sensor dan koreksi geofisik, serta menggunakan orbit yang presisi. Produk kategori GDR didistribusikan melalui halaman web milik CNES atau NOAA yang tersedia dalam bentuk data per
cycle atau satu kali pengamatan. Satu cycle berisi data altimeter selama kurang lebih
10 hari pengamatan, yaitu pada saat satelit mengamati di suatu titik di permukaan bumi, sampai satelit kembali lagi ke posisi titik tersebut, dengan ketelitian posisi sekitar kurang lebih 1 km (Dumont 2011). Produk kategori GDR mempunyai 3 tipe produk, yaitu:
1. Tipe produk GDR-SSHA.
Produk GDR tipe SSHA berisi kumpulan data pengamatan menggunakan sensor dengan frekuensi 1 Hz terreduksi, dan memuat data Sea Surface Height
Anomaly. Produk tipe SSHA tersedia dalam format NetCDF dan mempunyai
ekstensi file network common (*.nc). 2. Tipe produk GDR
Produk tipe GDR juga sering disebut native GDR, merupakan produk sesungguhnya dari kategori produk GDR. Tipe produk GDR berisi kumpulan data hasil pengamatan menggunakan sensor dengan frekuensi 1 Hz dan 20 Hz. Produk tipe GDR tersedia dalam format NetCDF dan mempunyai ekstensi file
network common (*.nc).
3. Tipe produk S-GDR
Produk tipe S-GDR berisi kumpulan data pengamatan menggunakan sensor altimeter dengan frekuensi1 Hz dan 20 Hz, serta memuat data waveform. Data
waveform merupakan data yang berisi nilai kekuatan radar yang dipantulkan
oleh permukaan laut dan berhasil diterima kembali oleh receiver yang berada di platform satelit altimeter. Struktur file waveform dalam S-GDR untuk satu detik pengamatan terdiri dari 20 kali index pemancaran gelombang radar, dimana satu index pemancaran gelombang terdiri dari 104 gerbang (bin) yang memuat kekuatan gelombang radar yang telah dipantulkan oleh permukaan laut. Produk tipe S-GDR tersedia dalam format NetCDF dan mempunyai ekstensi file network common (*.nc).
Penamaan file GDR diatur dalam bentuk seperti di bawah ini:
JA2_GP<N/R/S>_2P<v>P<ccc>_<ppp>_<yyyymmdd_hhnn ss>_<yyyymmdd_hhnnss>.nc
Keterangan:
<N/R/S> : tipe produk (N: native, R: 1 Hz terreduksi, S: sensor). <v> : versi produk.
<ccc> : nomor cycle. <ppp> : nomor pass.
<yyyymmdd_hhnnss> : tanggal awal dan akhir pengamatan dalam suatu cycle. I.7.2. Retracking Data Altimeter
Di wilayah perairan dalam, dimana tidak terdapat daratan atau hamparan es yang mengganggu pemantulan gelombang radar, waveform dimodelkan berdasarkan kekuatan gelombang altimeter yang berhasil dipantulkan oleh permukaan laut sesuai model Brown (Vignudelli dkk 2011). Model Brown merupakan model waveform yang ideal untuk kondisi perairan dalam (Yang dkk 2010). Tidak terdapat hubungan langsung secara matematis ataupun grafis antara bentuk waveform dengan kondisi fisik lokasi pengamatan. Ketinggian satelit di atas permukaan laut (range) dihitung berdasarkan nilai posisi leading edge (tracking point) yang telah ditentukan untuk masing-masing sensor satelit, seperti pada Tabel I.3.
Tabel I.3. Karakteristik waveform dari satelit altimeter (Vignudelli, 2011) Satelit altimeter Band Jumlah gerbang Nilai on-board tracking Gate width (ns) Frekuensi (Hz) Geosat Ku 60 30,5 3,125 10 ERS-1 Ku 64 32,5 3,03 20 ERS-2 Ku 64 32,5 3,03 20 TOPEX Ku 128 32,5 3,125 10 C 128 35,5 3,125 5 Poseidon Ku 60 29,5 3,125 20 Jason-1 Ku 104 31 3,125 20 C 104 31 3,125 20 Envisat Ku 128 46,5 3,125 18 S 64 25,2 6,25 18 Jason-2 Ku 104 31 3,125 20 C 104 31 3,125 20
Dalam Tabel I.3 dijelaskan karakteristik waveform dari beberapa satelit altimeter. Waveform dimodelkan dalam grafik dua dimensi, dengan sumbu absis berisi jumlah gerbang pengamatan dan sumbu ordinat berisi tingkatan kekuatan pantulan gelombang, seperti pada Gambar I.7. Pada satelit altimeter OSTM/Jason-2, terdapat 104 gerbang pengamatan, dengan nilai leading edge on-board berada pada gerbang ke-31. Waktu penerimaan sinyal antar gerbang pada satelit altimeter OSTM/Jason-2 adalah 3,125 ns (nano second).
Nilai posisi leading edge menunjukan waktu saat gelombang radar menyentuh permukaan laut, dijelaskan pada Gambar I.6. Namun dalam kenyataannya waveform tidak dapat selalu memenuhi model Brown dikarenakan berbagai penyebab, yaitu perubahan kondisi atmosfer yang cukup ekstrem di daerah pesisir pantai (Heliani dkk 2011), pergerakan satelit dari daratan menuju lautan, variasi batimetri dan adanya daratan maupun hamparan es (Vignudelli 2011), seperti ditunjukkan oleh Gambar I.7. Model waveform yang tidak ideal sesuai dengan model Brown menyebabkan nilai posisi leading edge berubah-ubah tergantung kondisi fisik permukaan laut dan tidak sesuai dengan nilai posisi leading edge yang telah ditetapkan pada satelit, sehingga menyebabkan perhitungan range menghasilkan nilai yang kurang teliti.
Gambar I.7. Sampel waveform (Bao dkk 2009)
Gambar I.7 menunjukkan beberapa contoh model waveform, yaitu (a)
waveform perairan dalam (model Brown), (b) waveform permukaan es, (c) multi-peak waveform dan (d) complex waveform. Model multi-peak waveform dan complex waveform dibentuk dari pengamatan pada perairan yang sangat dekat dengan daratan
atau danau. Tingkat gangguan pemantulan sinyal oleh daratan pada lokasi tersebut sangat tinggi, sehingga waveform yang terbentuk mempunyai noise.
Retracking merupakan metode untuk meningkatkan ketelitian pengukuran range oleh satelit altimeter pada model waveform yang kompleks, yaitu dengan cara
memodelkan kembali data nilai kekuatan gelombang yang berhasil dipantulkan menggunakan suatu metode (Bao dkk 2009). Beberapa klasifikasi tipe waveform untuk satelit OSTM/Jason-2, yang dapat dilihat pada Lampiran A. Terdapat beberapa macam metode retracking untuk medapat nilai posisi leading edge yang tepat menggunakan data waveform. Pada kenyataannya, metode retracking terbagi menjadi dua kategori, yaitu metode retracking berbasis pendekatan statistik yang diturunkan dari data waveform dan metode retracking berbasis karakteristik fisik yang dikembangkan untuk membentuk suatu model waveform (Vignudelli 2011).
1.7.2.1. Metode Offset Center of Gravity Retracker (OCOG). Metode OCOG dikembangkan oleh Wingham dkk pada tahun 1986 untuk mendapatkan model
waveform yang ideal (Wingham dkk 1986, dalam Vignudelli 2011). Tujuan metode
menggunakan pendekatan statistik dari data waveform dan tidak tergantung pada suatu persamaan garis.
Prinsip metode OCOG adalah dengan memodelkan waveform dalam bentuk persegi yang tersusun dari nilai amplitudo dan lebar waveform yang dihitung dari posisi leading edge sampai gerbang terakhir, dijelaskan dalam Gambar I.8.
Gambar I.8. Skema metode OCOG (Vignudelli dkk 2011) Keterangan:
A : Amplitudo.
W : Lebar waveform. Jarak antara leading edge dan gerbang terakhir trailing edge. LEP : posisi leading edge.
COG : pusat persegi (Center of Gravity).
Besaran-besaran dalam metode OCOG tersebut dihitung dengan persamaan sebagai berikut: 𝐴 = √∑𝑁−𝑛2 𝑃𝑖4 𝑖=1+𝑛1 (𝑡) ∑ 𝑃𝑖 2 𝑁−𝑛2 𝑖=1+𝑛1 (𝑡) ⁄ ... (3) 𝑊 = (∑𝑁−𝑛2 𝑃𝑖2 𝑖=1+𝑛1 (𝑡)) 2 ∑𝑁−𝑛2 𝑃𝑖4 𝑖=1+𝑛1 (𝑡) ⁄ ... (4) 𝐶𝑂𝐺 = ∑𝑁−𝑛2 𝑖𝑃𝑖2 𝑖=1+𝑛1 (𝑡) ∑ 𝑃𝑖 2 𝑁−𝑛2 𝑖=1+𝑛1 (𝑡) ⁄ ... (5) 𝐿𝐸𝑃 = 𝐶𝑂𝐺 − 𝑊 2 ... (6)
Nilai n1 = n2 = 4, merupakan jumlah gerbang awal dan akhir pengamatan yang
mengalami ganggunan thermal (thermal noise). Pi merupakan nilai kekuatan
gelombang, dan N merupakan jumlah gerbang pengamatan.
Metode OCOG mudah untuk digunakan karena perhitungan leading edge semata-mata berdasarkan pemodelan secara statistik dari data waveform. Metode
OCOG merupakan metode yang digunakan oleh ice-1 retracker dalam satelit altimeter Envisat RA-2 dan dapat berjalan secara optimal pada data waveform hasil pemantulan oleh permukaan yang menghasilkan nilai range yang bervariasi (seperti pada permukaan es). Kelemahan dari metode OCOG adalah data range yang dihasilkan kurang akurat dan teliti dikarenakan persamaan yang digunakan untuk mencari nilai posisi leading edge tidak berhubungan dengan karakteristik fisik dari permukaan laut. Metode OCOG seringkali digunakan sebagai perhitungan awal dalam pemodelan
waveform menggunakan metode lainnya, seperti threshold retracker, β-retracker dan
E-retracker (Vignudelli, 2011).
1.7.2.2. Metode threshold retracker. Metode threshold retracker dikembangkan oleh Davis (1995 dan 1997) untuk meningkatkan akurasi dan ketelitian range yang diukur oleh satelit altimeter. Sama halnya dengan metode OCOG, metode threshold juga menggunakan pendekatan statistik untuk menentukan nilai posisi leading edge, sehingga tidak ada hubungan dengan karakteristik fisik permukaan laut. Namun, metode threshold dapat menghasilkan nilai posisi leading edge dengan ketelitian lebih baik dibandingkan dengan metode OCOG (Guo dkk 2009), karena ambang batas yang digunakan dalam metode threshold dapat disesuaikan dengan karakteristik pantulan gelombang. Waveform yang didominasi oleh pantulan gelombang yang berhamburan (seperti permukaan es) membutuhkan nilai ambang batas yang cukup tinggi, yaitu 50% dari amplitudo maksimum, dan untuk waveform yang hanya mengandung sedikit hamburan gelombang biasanya membutuhkan nilai ambang batas yang relatif rendah, yaitu 10%-20% dari amplitudo maksimum (Davis 1997).
Prinsip dasar penentuan posisi leading edge menggunakan metode threshold adalah memodelkan waveform dalam bentuk persegi seperti pada metode OCOG, serta menentukan nilai ambang batasnya, sehingga nilai posisi leading edge berada pada gerbang dimana nilai kekuatan gelombang pantulan pertama yang melebihi ambang batas berada, seperti dijelaskan pada Gambar I.9. Perhitungan posisi leading edge menggunakan metode threshold dapat dilakukan dengan menggunakan persamaan (7), (8) dan (9) (Davis 1997). 𝐷𝐶 = 1 𝑛∑ 𝑃𝑖 𝑛 𝑖=1 ... (7) 𝑇𝐿 = 𝐷𝐶 + 𝑇𝑐𝑜𝑒𝑓𝑓(𝐴 − 𝐷𝐶) ... (8) 𝑃𝐿𝐸 = 𝐺𝑘−1+𝑇𝐿−𝑃𝑘−1 𝑃𝑘−𝑃𝑘−1 ... (9)
Keterangan mengenai variabel yang digunakan dalam persamaan (7), (8) dan (9) dijelaskan sebagai berikut:
DC : thermal noise yang terdapat pada 5 gerbang pertama
P : nilai kekuatan gelombang ke-i atau k. Apabila k = k-1, maka k diganti dengan k+1.
TL : threshold level atau nilai ambang batas
Tcoeff : tingkat ambang batas, misal 10%, 20% atau 50%
A : amplitudo waveform, yang didapatkan dari persamaan (3) PLE : nilai posisi leading edge
Persamaan (7), (8) dan (9) menjelaskan mengenai tahapan perhitungan menggunakan metode threshold retracker. Nilai posisi leading edge didapatkan dari nomor gerbang dimana nilai pantulan gelombang pertama yang melebihi ambang batas dideteksi.
1.7.2.3. Metode β-parameter retracker. Metode β-parameter retracker merupakan metode pertama yang dikembangkan untuk mendapatkan range melalui pengamatan menggunakan satelit altimeter Seasat di atas permukaan es Antartika dan Greenland (Martin dkk 1983, dalam Vignudelli dkk 2011). Algoritma dalam metode ini menggunakan 5 parameter untuk model waveform dengan puncak yang hanya terjadi sekali (permukaan laut), dan 9 parameter untuk model waveform dengan puncak yang terjadi dua kali, seperti pada waveform kompleks (permukaan es).
Gambar I.10. Skema metode β-retracker menggunakan 5 parameter (Vignudelli 2011)
Pemodelan waveform dalam metode β-retracker disusun oleh parameter β1 s.d.
β5 yang belum diketahui nilainya, seperti pada Gambar I.10. β1 menunjukkan nilai thermal noise, atau tingkat DC dari waveform, β2 menunjukkan amplitudo waveform,
β3 menunjukkan posisi leading edge hasil hitungan, β4 menunjukkan nilai SWH
(Significant Wave Height) dan β5 menunjukkan nilai kekasaran permukaan laut (Lee
2008). Pemodelan waveform dibentuk oleh persamaan garis y(t) yang terbentuk oleh kelima parameter yang digunakan (Zwally dan Brenner 2001, dalam Cazenave dan Fu 2011), seperti dijelaskan dalam persamaan (10), (11) dan (12).
𝑦(𝑡) = β1+ β2(1 + β5𝑄)𝑃 (𝑡−β3 β4 ) ... (10) 𝑄 = {0 𝑎𝑝𝑎𝑏𝑖𝑙𝑎 𝑡 < β3+ 0,5β4 𝑡 − β3+ 0,5β4 𝑎𝑝𝑎𝑏𝑖𝑙𝑎 𝑡 ≥ β3+ 0,5β4 ... (11) 𝑃(𝑥) = ∫ 1 √2𝜋𝑒𝑥𝑝 ( −𝑞2 2 ) 𝑑𝑞 𝑥 −∞ dengan 𝑞 = 𝑡−β3 β4 ... (12)
Nilai posisi leading edge menggunakan metode β-retracker adalah nilai dari parameter β3. Persamaan y(t) merupakan persamaan garis yang disusun oleh kelima
buah parameter dengan menggunakan normal cumulative distribution function saat akan menggambarkan leading edge, seperti ditunjukkan pada persamaan (12). Kelima parameter dalam metode β-retracker yang disusun berdasarkan persamaan (10), (11) dan (12) dihitung menggunakan prinsip hitung kuadrat terkecil, seperti pada persamaan (13) (Anzenhofer dkk 1999).
𝑋 = [𝐴𝑇𝑃𝐴]−1[𝐴𝑇𝑃𝐿] ... (13)
Matriks pengamatan (L) disusun dari selisih antara nilai pengamatan dan nilai pendekatan. Nilai pengamatan merupakan nilai kekuatan pantulan gelombang dalam suatu waveform, sedangkan nilai pendekatan merupakan nilai persamaan y pada persamaan (11) dengan menggunakan nilai parameter β terestimasi, sehingga akan menghasilkan matriks L dengan ukuran baris sejumlah waveform dan ukuran kolom adalah 1, seperti pada persamaan (14). Nilai estimasi parameter β dijelaskan sebagai berikut:
β1 : 0
β2 : nilai amplitudo hasil retracking metode OCOG
β3 : nilai posisi leading edge hasil retracking metode OCOG
β4 : 1,3
β5 : 0
Matriks desain (A) disusun berdasarkan derivatif parsial persamaan y pada persamaan (11) terhadap masing-masing parameter. Sehingga disusun matriks A dengan dimensi m x n, dengan nilai m merupakan jumlah waveform dan n merupakan jumlah parameter, seperti pada persamaan (15).
𝐴
𝑚𝑥𝑛=
[
𝜕𝑦1 𝜕𝛽1 𝜕𝑦1 𝜕𝛽2 𝜕𝑦1 𝜕𝛽3 𝜕𝑦1 𝜕𝛽4 𝜕𝑦1 𝜕𝛽5 𝜕𝑦2 𝜕𝛽1 𝜕𝑦2 𝜕𝛽2 𝜕𝑦2 𝜕𝛽3 𝜕𝑦2 𝜕𝛽4 𝜕𝑦2 𝜕𝛽5⋮
𝜕𝑦𝑚 𝜕𝛽1 𝜕𝑦𝑚 𝜕𝛽2 𝜕𝑦𝑚 𝜕𝛽3 𝜕𝑦𝑚 𝜕𝛽4 𝜕𝑦𝑚 𝜕𝛽5]
... (15)Matriks P merupakan matriks yang berisi bobot pengamatan dengan ukuran baris dan kolom adalah sejumlah waveform pengamatan, yang disusun berdasarkan nilai bobot sebagai berikut:
a. Untuk elemen matriks P yang mewakili nilai pengamatan dari awal gerbang sampai gerbang sebelum lokasi leading edge diberi nilai bobot 100.
b. Untuk elemen matriks P yang mewakili nilai pengamatan dari gerbang sebelum terjadinya leading edge sampai gerbang kedua setelah posisi leading edge diberi nilai bobot 50.
c. Untuk elemen matriks P yang mewakili nilai pengamatan dari gerbang kedua setelah terjadinya leading edge sampai gerbang terakhir diberi nilai bobot 30.
Setelah mendefinisikan matriks A, P dan L, maka matriks X dapat dhitung menggunakan persamaan (13). Matriks X berisi koreksi untuk pendeketan nilai posisi
leading edge hasil estimasi. Residu hitungan dapat dihitung menggunakan persamaan
(16).
𝑉 = 𝐴𝑋 − 𝐿 ... (16) Nilai posisi leading edge didapatkan dengan menjumlahkan nilai posisi leading
edge terestimasi (β3) dengan nilai koreksinya (matriks X). Model waveform yang
dibentuk oleh metode β-retracker menunjukkan kemiripan dengan model Brown, meskipun dalam perhitungannya metode β-retracker menggunakan pendekatan persamaan garis yang dikembangkan dari karakteristik data penyusun waveform, jadi tidak terdapat hubungan dengan karakteristik fisik permukaan laut (Vignudelli, 2011). Kelebihan dari metode β-retracker adalah model yang dihasilkan dapat digunakan untuk memodelkan waveform perairan dangkal dan pesisir, karena parameter β5atau trailing edge yang mengambarkan kekasaran permukaan pantulan bernilai lebih lebih
besar dibandingkan dengan model Brown.
1.7.2.4. Metode E-retracker. Metode E-retracker dikembang oleh The Ice Altimetry
Group of NASA’s Goddard Space Flight Center (GSFC) untuk menentukan model waveform permukaan es di daerah kutub berdasarkan persamaan β-retracker yang
dikembangkan oleh Martin dkk (NASA GSFC, 2006). Pengembangan metode
β-retracker sudah 4 kali dilakukan oleh GSFC dan didapatkan persamaan pemodelan waveform berdasarkan metode β-retracker dengan mengganti fungsi interpolasi linier
dengan fungsi eksponen untuk menyesuaikan bentuk trailing edge yang rusak akibat hamburan oleh permukaan es (Lee, 2008).
Secara skema dan cara perhitungan parameter, metode E-retracker sama dengan β-retracker. Perbedaan antara dua metode tersebut adalah pada persamaan garis untuk memodelkan waveform yang tidak lagi linier, melainkan digantikan dengan fungsi eksponen untuk menggambarkan bagian trailing edge, seperti pada persamaan (17) dan (18) (Deng dan Featherstone, 2006).
𝑦(𝑡) = β1+ β2𝑒𝑥𝑝(−β5𝑄)𝑃 (𝑡−β3
β4 ) ... (17)
𝑄 = {0 𝑎𝑝𝑎𝑏𝑖𝑙𝑎 𝑡 < β3− 2β4
1.7.2.5. Metode ocean waveform retracking. Metode ocean waveform retracking merupakan salah satu metode retracking yang digunakan oleh satelit altimeter OSTM/Jason-2 untuk menghasillkan range dalam perairan dalam dan terbuka, dan disusun berdasarkan karakteristik fisik waveform. Prinsip dasar dari metode ini adalah memodelkan rata-rata kekuatan gelombang yang dipantulkan oleh permukaan laut, P(t), dan disusun sebagai konvolusi dari tiga kondisi berdasarkan perubahan waktu (t), yaitu rata-rata respon impuls dari permukaan datar lautan (Flat Sea Surface
Responce/FSSR(t)), respon titik target pada sistem radar (Point Target
Response/PTR(t)) dan fungsi probabilitas kerapatan dari tinggi permukaan laut pada pantulan spekular (Probability Density Function/PDF(t)), seperti dijelaskan dalam persamaan (19) (Brown, 1977; Hayne, 1980; Barick dan Lipa, 1985).
𝑃(𝑡) = 𝐹𝑆𝑆𝑅(𝑡) ∗ 𝑃𝑇𝑅(𝑡) ∗ 𝑃𝐷𝐹(𝑡)... (19) Persamaan (19) hanya berlaku untuk pengamatan di atas permukaan laut terbuka dan perairan dalam, tapi tidak ketika satelit mengamati di atas perairan dekat dengan daratan. Hal tersebut terjadi dikarenakan pantulan gelombang oleh daratan akan bersama-sama terekam oleh satelit, sehingga on-board tracker tidak bisa menghasilkan nilai leading edge dan range yang teliti dikarenakan waveform mngandung noise (Tourian, 2012).
I.7.3. Model Geopotensial Global EGM2008
Model geopotensial global EGM2008 merupakan model geopotensial global yang dipublikasikan oleh National Geospatial-Intellegence Agency (NGA). Model geopotensial global EGM2008 menyediakan informasi mengenai data koefisien harmonik bola, yaitu orde (n), degree (m), koefisien potensial normal penuh (C, S) dan standar deviasinya (sigma C, sigma S) (Pavlis dkk, 2008). Model geopotensial EGM2008 dilengkapi dengan koefisien harmonik degree dan orde 2159, serta memuat tambahan sampai degree 2190. EGM2008 menyediakan data dengan grid 2,5’x2,5’ yang telah mengalami peningkatan berdasarkan pengukuran dari satelit GRACE (Pavlis, 2012, dalam Borge, 2013).
Untuk melakukan ekstraksi nilai undulasi geoid menggunakan model geopotensial EGM2008, dibutuhkan perangkat lunak hsynth_WGS84.exe. Perangkat lunak hsynth_WGS84.exe merupakan perangkat lunak untuk melakukan sintesis nilai undulasi geoid yang disediakan oleh National Geospatial-Intellegence Agency (NGA).
Konstanta WGS84 digunakan untuk mendefinisikan referensi elipsoid yang digunakan dalam EGM2008 (NGA, 2008), yaitu:
a. Setengah sumbu panjang (a) : 6378137,00 m b. Flattening (f) : 1/298,257223563
c. Kontanta Gayaberat : 3,986004418 x 1014 m3/s2
d. Kecepatan sudut rotasi bumi : 7292115 x 10-11 radian/sec
I.7.4. Model Batimetri Global GEBCO
GEBCO merupakan model batimetri global digital yang disediakan oleh
Intergovernmental Oceanographic Commission (IOC) bekerja sama dengan International Hydrographic Organization (IHO), yang dapat diunduh secara gratis
melalui situs resmi GEBCO. GEBCO menyediakan data batimetri dengan resolusi spasial sampai dengan 30 detik. Data grid batimetri dalam GEBCO didapatkan dari data echosounding yang dilakukan menggunakan kapal dan diinterpolasikan dengan data gravity dari satelit altimeter (Anonim, 2010).
I.7.5. Analisis hasil
Hasil retracking merupakan nilai koreksi range, yang dihitung dengan menselisihkan nilai gerbang posisi leading edge hasil retracking dengan posisi leading
edge on-board, seperti pada persamaan (20). Range hasil retracking didapatkan dari
penambahan nilai koreksi terhadap range hasil pengamatan, seperti pada persamaan (21). SSH hasil retracking didapatkan dengan menselisihkan nilai altitude hasil pengamatan dengan nilai range hasil retracking (Anzenhofer 1999).
𝑑𝑟 = 𝑐 𝑥 ∆𝐺𝑎
2 𝑥(𝐺𝑟− 𝐺𝑜) ... (20)
𝑅𝑟 = 𝑅𝑎𝑛𝑔𝑒 + 𝑑𝑟 ... (21) Keterangan:
dr : koreksi range
Rr : range hasil retracking
c : kecepatan rambat gelombang (299792458 m/s)
ΔGa : interval waktu satu gerbang pengamatan (untuk Jason-2 adalah 3,125 ns)
Gr : nilai posisi leading edge hasil retracking
Uji kemampuan dari beberapa metode retracking yang digunakan dalam penelitian dilakukan dengan menghitung nilai perbaikan kemampuan atau
Improvement Percentage (IMP). Nilai IMP dapat dihitung dengan cara
membandingkan simpangan baku SSH hasil pengukuran satelit terhadap simpangan baku SSH hasil retracking. Rumus yang digunakan untuk menentukan nilai IMP ditunjukkan pada persamaan (22) dan (23) (Bao 2009).
𝐼𝑀𝑃 = 𝜎𝑟𝑎𝑤− 𝜎𝑟𝑒𝑡𝑟𝑎𝑐𝑘𝑖𝑛𝑔 𝜎𝑟𝑎𝑤 𝑥 100% ... (22) 𝜎𝑟𝑎𝑤 𝑎𝑡𝑎𝑢 𝑟𝑒𝑡𝑟𝑎𝑐𝑘𝑖𝑛𝑔 = √ 1 𝑁∑ (𝑥𝑖− 𝑥̃) 2 𝑁 𝑖=1 , 𝑑𝑒𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑁 = 𝑗𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑑𝑎𝑡𝑎 ... (23)
Nilai IMP menunjukkan kemampuan metode retracking dalam memperbaiki kualitas data SSH. Nilai IMP yang semakin besar menunjukkan bahwa perbaikan kualitas SSH berjalan dengan baik dan data hasil retracking dapat digunakan, sedangkan apabila IMP bernilai negatif, maka menunjukkan bahwa hasil retracking tidak lebih baik dari data SSH hasil pengamatan (Bao 2009).
I.8. Hipotesis
Hipotesis yang digunakan dalam penelitian ini dijelaskan sebagai berikut: 1. SSH hasil retracking mempunyai nilai simpangan baku yang lebih kecil dan
bentuk yang lebih stabil dibandingkan SSH hasil pengamatan data pre-operasional (data non-retracked), terutama pada jarak pengamatan kurang dari 50 km dari daratan dimana waveform mengandung banyak noise karena gangguan pemantulan daratan, sehingga disusun hipotesis pertama bahwa
retracking mampu meningkatkan kualitas SSH data pre-operasional pada jarak
pengamatan 5 km, 10 km dan 50 km dari daratan Pulau Jawa hasil pengamatan satelit altimeter OSTM/Jason-2.
2. Kedalaman perairan dan pola batimetri mempengaruhi bentuk gelombang laut dan pemantulan sinyal satelit altimeter. Sinyal yang mengalami gangguan pemantulan menghasilkan waveform dengan kualitas rendah, yang ditunjukkan dengan bentuk waveform yang tidak menyerupai model Brown. Dari hal tersebut disusun hipotesis kedua bahwa kedalaman dan pola batimetri memberikan pengaruh pada kualitas data waveform dan SSH hasil pengamatan satelit altimeter OSTM/Jason-2.
3. Nilai ambang batas (threshold) pada metode threshold retracker dapat disesuaikan mengikuti bentuk dinamika gelombang laut pada perairan dangkal maupun dalam, sehingga disusun hipotesis ketiga bahwa metode threshold
retracker merupakan metode yang paling optimal untuk melakukan retracking
