LanduseSim Praktikum :
Pemodelan Spasial Perkembangan Permukiman dan Industri berbasis Sistem Informasi Geografis dan Cellular Automata
v.0.3
ditulis oleh
Nursakti Adhi Pratomoatmojo
11 Jurusan Perencanaan Wilayah dan Kota
Lab Komputasi dan Analisis Perencanaan Keruangan Institut Teknologi Sepuluh Nopember
PEMODELAN SPASIAL PERKEMBANGAN PERMUKIMAN DAN INDUSTRI BERBASIS SISTEM INFORMASI GEOGRAFIS DAN
CELLULAR AUTOMATA
Nursakti Adhi Pratomoatmojo*
* Jurusan Perencanaan Wilayah dan Kota, Institut Teknologi Sepuluh Nopember [email protected]
Software yang dibutuhkan :
ESRI ArcGIS 10.2.2 Trial 60 days, ArcGIS LanduseSim Toolbox 0.3, LanduseSim 2.3.1, Microsoft Excel 2010 ALUR PROSES PEMODELAN
Implementasi pemodelan perubahan penggunaan lahan berbasis Sistem Informasi Geografis dan Cellular Automata menggunakan LanduseSim, terdiri dari 3 bagian besar, yaitu tahap persiapan data, tahap simulasi dan tahap visualisasi.
Tahap persiapan meliputi persiapan peta dasar (hasil penginderaan jauh) ataupun digitasi, identifikasi faktor-faktor yang mempengaruhi perkembangan, identifikasi besaran perkembangan (baik melalui target ataupun trend). Tahap kedua adalah tahap simulasi data. Pada tahap simulasi, data-data akan diproses lanjut mulai tahap import data, standarisasi data dengan fuzzy, overlay data untuk mendapatkan peta initial transition potential map, pengaturan rules, hingga proses simulasi. Tahap kedua akan menggunakan software LanduseSim sebagai alat analisis utama yaitu memprediksi secara spatio-temporal berbasis raster. Tahap ketiga adalah tahap visualisasi peta dan data, dimana hasil output simulasi yang berasal dari LanduseSim dikembalikan kepada aplikasi SIG editor untuk melakukan finalisasi termasuk mempersiapkan layout, grafik, peta, legenda dan lainnya. Untuk pengolahan data tabulasi dapat juga menggunakan Microsoft Excel.
Kasus sederhana:
Pemodelan Perkembangan Zona Permukiman dan Industri di Kota Pekalongan, IndonesiaUntuk mempermudah pemahaman terhadap praktek pemodelan perubahan lahan dengan LanduseSim, maka akan didemonstrasikan menggunakan contoh sederhana, yaitu pemodelan perkembangan lahan permukiman dan industri.
Pada praktek berikut akan digunakan data penggunaan lahan Kota Pekalongan yang telah dimodifikasi dengan melakukan pengurangan pada jumlah penggunaan lahan. Perkembangan kedua jenis lahan tersebut (permukiman dan industri) dipengaruhi oleh beberapa faktor-pendorong.
Catatan: Variabel-variabel pendorong perkembangan pada tutorial ini dibuat seminim mungkin untuk memudahkan interpretasi, walaupun begitu dalam penelitian dapat dikembangkan lebih banyak lagi.
Data Tipe Data
Peta Penggunaan Lahan Polygon
Peta Jaringan Jalan Primer Polyline Peta Jaringan Jalan Sekunder Polyline
Peta Permukiman Polygon
Peta Industri Polygon
Beberapa variabel pendorong yang digunakan:
Variabel spasial pendorong perkembangan lahan Permukiman
1. Kedekatan terhadap permukiman eksisting. Seperti pada kondisi riil dilapangan bahwa perkembangan lahan permukiman baru memiliki kecendrungan dekat dengan kawasan permukiman yang telah ada.
2. Kedekatan terhadap jaringan jalan utama 3. Kedekatan teradap jaringan jalan sekunder
Variabel spasial pendorong perkembangan lahan Industri 1. Kedekatan terhadap lahan industri eksisting
2. Kedekatan terhadap jaringan jalan utama
Data Preparation Data Simulation
ArcGIS, QGIS LanduseSim
Data Visualization
ArcGIS, QGIS Feedback
Feedback
3. Kedekatan terhadap jaringan jalan sekunder
Besaran perkembangan lahan
Pada kasus ini diekspektasi permukiman akan mengalami perluasan/berkembang sebesar +700 Ha dan Industri berkembang sebesar +50 Ha dari tahun 2003 Hingga 2013.
Persiapan Data untuk simulasi
Dikarenakan LanduseSim tidak dirancang untuk menjadi perangkat lunak editor data sistem informasi geografis, maka persiapan data dilakukan menggunakan software GIS Editor seperti ESRI ArcGIS ataupun QGIS. Pada tutorial ini akan menggunakan aplikasi ESRI ArcGIS untuk menyiapkan data-data yang dibutuhkan. Selain itu untuk mempermudah praktek pembelajaran pemodelan perubahan dinamika lahan, maka pengguna sebaiknya menggunakan ESRI ArcGIS LanduseSim Toolbox.
Catatan: Penerapan pemodelan yang dicontohkan berikut dapat dikembangkan lagi baik baik dari faktor pendorong maupun dengan melibatkan faktor penghambat, seperti kesesuaian lahan, zoning pada rencana tata ruang, dan lain sebagainya. Namun pada tutorial ini hanya ditunjukkan seperti kasus diatas untuk mempermudah pemahaman.
Berikut adalah langkah-langkah praktikum yang dilakukan mulai dari persiapan data hingga pemodelan, dengan basis penyiapan data menggunakan software ESRI ArcGIS;
Tahap Persiapan Data
Pada tahap persiapan data, semua proses dilakukan dengan GIS Editor ArcGIS, yaitu membuat peta kedekatan terhadap variabel-variabel pendorong, menetapkan ukuran sel, mengkonversi peta-peta menjadi raster, dan
mengkonversi peta raster kedalam format ASCII agar dapat diproses dengan LanduseSim.
1. Lakukan pengaturan overwrite data pada ArcGIS, sehingga dapat mengganti file lama dengan file yang baru walaupun nama filenya sama. Cara pengaturan Toolbar Geoprocessing Geoprocessing Options Centang pada Overwrite the outputs of geoprocessing operations.
Driving-Forces (Faktor Pendorong)
Accessibility (Aksesibilitas)
Distance to primary road (Kedekatan terhadap jalan primer)
Distance to secondary road (Kedekatan terhadap jalan
sekunder)
Distance to existing industry (Kedekatan terhadap industri
eksisting)
Distance to existing settlement (Kedekatan terhadap permukiman
eksisting)
2. Aktifkan extension pada ArcGIS trial version, dengan klik pada menu Customize Extension, centang extension Spatial Analyst
3. Menyiapkan ESRI ArcGIS LanduseSim Toolbox sebagai extension untuk mempermudah dalam menyiapkan data-data yang dibutuhkan dalam proses pemodelan menggiunakan LanduseSim
Klik kanan pada ArcToolbox add toolbox LanduseSim Toolbox 0.3
Data Export
Digunakan untuk mengkonversi data raster (.img) yang telah diolah ArcGIS kedalam format ASCII
Data Import
Digunakan untuk mengkonversi data raster ASCII kedalam format Raster (.img)
Data Preparation
Digunakan untuk melakukan konversi polygon ke raster pada peta penggunaan lahan, dan melakukan analisis jarak.
4. Mempersiapkan peta penggunaan lahan untuk simulasi, apabila peta masih dalam format vektor (.shp):
Buat atribut baru ‘LU Code dengan parameter double dan isi dengan angka untuk merepresentasikan jenis penggunaan lahan tertentu. Masukkan angka yang dapat merepresentasikan jenis penggunaan lahan selain angka 0 (nol). Pada LanduseSim angka (Nol) akan dianggap sebagai hambatan.
Tambahkan kolom baru pada tabel atribut penggunaan lahan (LU_Code) dan berikan kode sebagai berikut:
Industry : 1
Transportation terminal : 2
Settlement : 3
Urban open space : 4
Openland : 5
Plantation : 6
Dryland : 7
Fishpond : 8
Swamp : 9
Paddy field : 10
River : 11
Setelah memasukkan kode landuse berupa angka untuk tiap jenis penggunaan lahan, langkah berikutnya adalah melakukan konversi polygon ke raster dengan LanduseSim ArcGIS toolbox 1. Landuse Polygon to Raster.
Adapun value yang dijadikan sebagai nilai raster adalah field ‘LU_Code’.
Catatan: Pada tutorial ini ukuran cell raster yang digunakan adalah 10meter x 10meter, namun apabila anda menggunakan LanduseSim Trial maka gunakan cell raster 100meter x 100 meter (dikarenakan keterbatasan jumlah baris dan kolom).
Hasil konversi diatas adalah default dari ArcGIS, sehingga perlu disesuaikan warna dan legendanya. dan warna hasil konversi raster diatas (LU2003_Raster.img) dapat disesuaikan dengan merubah Label pada Layer Properties Simbology Label
Simpan sebagai Layer agar dapat digunakan berulang kali pada peta yang serupa, misal dalam kasus ini nama layer adalah LU_Raster_Layer
5. Membuat polygon batas analisis. Polygon ini dibutuhkan untuk membatasi ukuran raster yang sangat penting untuk membatasi proses analisis. Gunakan Catalog create new shapefile Name: ‘Boundary_Analysis’
Polygon Edit Koordinat sistem WGS 1998 UTM 49S
6. Membuat peta aksesibilitas/kedekatan terhadap variabel pendorong. Lakukan analisis jarak/kedekatan terhadap semua variabel pendorong perubahan menggunakan LanduseSim Toolbox 0.3 2.Distance of Spatial- Factor.
Spatial-Factor (Shapefile) : points/polylines/polygons) : Primary_Road (untuk semua variabel pendorong) Initial Land use Map (Raster) : LU2003_Raster.img
Analysis Boundary (optional) : Boundary_Analysis (Batas analisis)
Output Cell Size (optional) : 10 (Note for trial user, please set to 100 because of the version limitation) Temporary file raster map : nama file terserah, untuk file sementara (tambahkan .img)
Distance Raster Map : ED_[namashapefile].img (tambahkan .img)
ED_PrimaryRoad.img ED_SecondaryRoad.img ED_Settlement.img ED_Industry.img
7. Konversi semua peta kedalam format ASCII. Peta aksesibilitas variabel pendorong (Euclidean Distance) dan peta penggunaan lahan ke dalam format ASCII / Text. LanduseSim Toolbox 0.3 Data Export Raster to ASCII LanduseSim. Lakukan untuk semua peta raster yang akan diolah kedalam LanduseSim
Catatan : Beberapa kasus terjadi gagal mengkonversi raster (.img) kedalam ASCII oleh software ArcGIS. Solusi untuk mengatasi hal ini adalah simpan file ASCII pada jalur folder yang lebih pendek, misal
E:\ASCII_LU2003.TXT
Tahap Simulasi
Pada tahap simulasi, data-data akan diproses lanjut mulai tahap import data, standarisasi data dengan fuzzy, overlay data untuk mendapatkan peta initial transition potential map, pengaturan rules, hingga proses simulasi.
1. Buka software LanduseSim sebagai administrator. Pada icon aplikasi LanduseSim, klik kanan pada aplikasi LanduseSim dan klik run as administrator. Pastikan komputer terkoneksi internet saat membuka aplikasi LanduseSim. Setelah terkoneksi dan terbuka, koneksi internet dapat diputus.
2. Untuk memudahkan keluar-masuk file, buatlah folder shortcut dengan melakukan drag pada folder yang berisi data yang akan diolah dengan LanduseSim menuju favorites.
3. Untuk melakukan simulasi dan pengolahan lanjut menggunakan LanduseSim, maka semua data raster yang akan digunakan harus dikonversi ke format .TIF. Import file ASCII yang berasal dari ESRI ArcGIS kedalam format .TIF agar data tersebut dapat diolah pada aplikasi LanduseSim. Beberapa file yang diimport adalah peta penggunaan lahan, dan peta-peta variabel pendorong lainnya (peta jarak terhadap industry, jarak terhadap permukiman, jarak terhadap aglomerasi industry, jarak terhadap jaringan jalan primer, jarak terhadap jaringan jalan sekunder). Untuk peta penggunaan lahan diimport sebagai bilangan integer (bilangan bulat), sedangkan untuk peta-peta aksesibilitas diimport sebagai bilangan float (desimal).
Basic modules Import/Export File Import from ESRI ASCII format
Catatan: Peta penggunaan lahan gunakan Integer, dan untuk peta jarak gunakan float
4. Standarisasi nilai jarak faktor-faktor pendorong dilakukan dengan metode fuzzy set membership linear monotonically decreasing. Pada tahap ini nilai jarak (peta euclidean distance) akan dirubah menjadi bilangan riil, bernilai antara 0 (jarak terjauh) dan 1 (jarak terdekat). Penilaian ini dilakukan dengan memberikan nilai potensi perkembangan terbaik jika semakin dekat dengan variabel pendorong. Buatlah peta fuzzy untuk semua variabel jarak. Contoh:
Input file : TIF_ED_Industry.tif Distance Operation : Monotonically decreasing Output Fie : FUZZY_ED_Industry.tif
5. Tahap berikutnya adalah membuat peta potensi transisi perubahan untuk tiap penggunaan lahan permukiman dan lahan industri. Untuk melakukan overlay dengan bobot, dapat menggunakan Modul WeightedRaster.
Adapun file raster yang dimasukkan adalah file-file hasil standarisasi skor. Bobot dapat diolah dengan analisis seperti AHP (Analytical Hierarchy Process) untuk mendapatkan pembobotan dengan pertimbangan expert.
Transition Potential Growth Map – Industry:
- Variabel jarak terhadap industri eksisting (0.45)
- Variabel jarak terhadap jaringan jalan primer (0.35)
- Variabel jarak terhadap jaringan jalan sekunder (0.20)
Transition Potential Growth Map – Settlement:
- Variabel jarak terhadap jaringan jalan primer (0.20)
- Variabel jarak terhadap jaringan jalan sekunder (0.40)
- Variabel jarak terhadap permukiman eksisting (0.40)
6. Tetapkan filter ketetanggaan dibuat untuk digunakan pada proses simulasi. Simulation Modules Neighb.Filter Neighborhood Filter 3x3. Tetapkan filter yang diinginkan, pada umumnya filter yang digunakan adalah jenis filter Moore dengan nilai ketetanggaan 1.
7. Pada praktek pemodelan perubahan penggunaan lahan kali ini, mengabaikan nilai elastisitas perubahan penggunaan lahan (tingkat kemampuan mengkonversi penggunaan lahan lain dianggap sama). Pada Elasticity of change to LUC Code diisi kode penggunaan lahan yang diasumsikan tumbuh, dalam tutorial ini adalah kode 1 (industri) dan 3 (permukiman).
8. Klik modul Transition Rules, kemudian isikan beberapa item yang dibutuhkan antara lain [Code] kode penggunaan lahan yang disimulasikan bertambah, Growth besaran sel yang diekspetasi tumbuh, [Initial Transition Potential Map] potensi transisi pertumbuhan penggunaan lahan, [land constraints] hambatan penggunaan lahan, dan [Elasticity of change] elastisitas perubahan penggunaan lahan. Temporary Output File, merupakan file sementara yang digunakan pada saat simulasi berlangsung. Simpan semua pengaturan Transition Rules pada kolom [Set of Transition Rules].
Pada kasus ini diekspektasi permukiman akan mengalami perluasan/berkembang sebesar 700 Ha dan Industri berkembang sebesar 50 Ha dari tahun 2003 Hingga 2013. Pada analisis lebih dalam, sebaiknya kebutuhan perkembangan dapat dihitung berdasarkan pola kecendrungan/trend ataupun target/skenario.
Penggunaan Lahan
Kode Ekspektasi Perkembangan
Alokasi dalam Sel (10mx10m)
Hambatan Penggunaan Lahan
Industri 1 50 Ha ~ 500,000 m2 5,000 sel
Sungai (11), Transportasi (2), Permukiman (3), Ruang Terbuka Hijau (4)
Permukiman 3 700 Ha ~ 7,000,000 m2 70,000 sel Sungai (11), Transportasi (2), Industri (1), Ruang Terbuka Hijau (4)
Pada kolom Temporary Output File, berikan nama file terserah (misal: temp_simulation.tif) yang akan
digunakan sebagai file sementara selama proses simulasi berlangsung. Check diperlukan untuk melakukan cek terhadap elastisitas dengan kode penggunaan lahan. Apabila terdapat ketidaksamaan antara elasticity of change dengan code, maka akan muncul errror report pada konsol LanduseSim.
9. Klik modul LUCC Simulation, dan masukkan beberapa parameter yang diperlukan, antara lain tahun proyeksi, peta Penggunaan lahan, Transition-rules, Filter, dan CA-Time Step.
LanduseSim v.2.3. Benchmark:
CPU, Memory, HDD, OS CPU Released
Core/
Threads
Run at speed
(Resolution) Number of Cells
Num of LU Growth / Time (Per year Growth simulation)
Elapsed Time
Intel Core i7 4720HQ @ 2.6GHz
OS : Windows 10 64Bit Q1’ 2015 4 Cores
8 Threads 3.4 Ghz (798 * 915) 730,170 cells
2 Land use classes
10 Years 19 Minutes
Intel Core i5-4200M @ 2.5 Ghz Mem : 4GB RAM DDR3 OS : Windows 7 SP1 64Bit
Q4’ 2013 2 Cores
4 Threads 3.0 Ghz (798 * 915) 730,170 cells
2 Land use classes
10 Years 22 Minutes
Intel Core i3 2310 M @ 2.1 Ghz Mem : 2GB RAM DDR3 OS : Windows 7 32Bit
Q1’ 2011 2 Cores
4 Threads 2.1 Ghz (798 * 915) 730,170 cells
2 Land use classes
10 Years 41 Minutes
AMD A8-4500M APU @ 1.9 Ghz (run default on 1.4 Ghz) Mem : 4GB RAM DDR3 OS : Windows 7 SP1 64Bit
Q2’ 2012 4 Cores
4 Threads 2.3 Ghz (798 * 915) 730,170 cells
2 Land use classes
10 Years 62 Minutes
Intel Celeron N2840 @ 2.58 Ghz Mem : 2GB RAM DDR3
OS : Windows 7 32Bit
Q3’ 2013 2 Cores
2 Threads 2.58 Ghz (798 * 915) 730,170 cells
2 Land use classes
10 Years 92 Minutes
Catatan: Durasi proses simulasi perubahan lahan dengan LanduseSim sangat ditentukan oleh jenis dan kecepatan CPU
Tahap Visualisasi Peta dan Data
Pada tahap visualiasi, hasil simulasi dapat ditampilkan baik secara peta maupun data. Proses visualisasi peta dapat menggunakan LanduseSim atau dengan ArcGIS. Namun pada LanduseSim terdapat batasan-batasan pada tampilan, sehingga visualisasi menjadi sangat terbatas. Untuk visualisasi data dapat dilakukan dengan Microsoft Excel, termasuk membuat grafik dan lainnya.
1. Setelah hasil eksekusi simulasi pada LanduseSim dilakukan, maka langkah berikutnya adalah melakukan visualisasi baik untuk data maupun peta. Untuk mengetahui komposisi penggunaan lahan (satuan sel) dapat melalui modul Preview Grid File.
Untuk melihat perubahan yang terjadi dapat menggunakan modul Map Comparison
Perhatian : Satuan pada hasil analisis adalah grid/sel, sehingga jika akan dikonversikan kedalam satuan luas tertentu misal Hektar, maka mengikuti satuan sel yang digunakan diawal.
2. Pada aplikasi LanduseSim, hasil simulasi dieksport agar dapat dikembalikan pada format ArcGIS, dengan cara buka modul Import/Export File Export to ESRI ASCII format masukkan peta TIF (hasil simulasi) masukkan peta ESRI ASCII References, seperti ASCII penggunaan lahan dari ArcGIS simpan sebagai ASCII Simulasi Export. Dengan mempertimbangkan simulasi LanduseSim dapat mengeluarkan beberapa peta urutan perkembangan, maka lebih baik dieksport semua, sehingga dapat divisualisasikan perkembangan secara series.
3. Buka aplikasi ESRI ArcGIS. Lakukan konversi data ASCII (landusesim) menjadi bentuk raster dengan
menggunakan tools ASCII to Raster pada software ArcGIS. Pilih data ‘Integer’ sebagai format nilai yang diimport dikarenakan kode penggunaan lahan adalah bilangan bulat. Lakukan satu demi satu untuk peta simulasi yang tela disiapkan pada point-1.
4. Samakan style tampilan (warna dan legenda) dengan mengimport style yang pernah dibuat pada tahap
sebelumnya, sehingga dapat memberikan kemudahan interpretasi. Double click pada layer (layer properties)
Symbology import Symbology.
Berikut adalah hasil visualisasi peta perubahan penggunaan lahan dari tahun 2003 hingga tahun 2013 yang diakibatkan oleh perkembangan permukiman dan industri.
Tahun 2003 Tahun 2004 Tahun 2005 Tahun 2006
Tahun 2007 Tahun 2008 Tahun 2009 Tahun 2010
Tahun 2011 Tahun 2012 Tahun 2013
5. Untuk menampilkan data perubahan secara umum, dapat menggunakan aplikasi LanduseSim dan Microsoft Excel. LanduseSim Modul Preview Grid Open File Compute. Block semua data pada hasil, Copy (tekan Ctrl+C) dan Paste (Ctrl+V) pada Microsoft Excel.
Y2003 (EXT) Y2013 (SIM)
LAND USE CHANGE
Class Land use 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
1 Industry 10618 11118 11618 12118 12618 13118 13618 14118 14618 15118 15618
2 Transportation Terminal 1343 1343 1343 1343 1343 1343 1343 1343 1343 1343 1343
3 Settlement 195312 202312 209312 216312 223312 230312 237312 244312 251312 258312 265312
4 Urban open space 3408 3408 3408 3408 3408 3408 3408 3408 3408 3408 3408
5 Openland 3812 3429 3186 2993 2881 2767 2637 2487 2359 2205 1989
6 Plantation 22740 21563 20352 18960 17496 15896 14225 12552 11098 9787 8523
7 Dryland 15434 13863 12658 11700 10675 10035 9564 9186 8747 8366 8051
8 Fishpond 35732 35263 34707 34132 33580 33016 32464 31979 31505 31088 30667
9 Swamp 15059 14897 14763 14642 14532 14414 14291 14192 14086 13968 13814
10 Paddy Field 155844 152142 148007 143762 139539 135077 130535 125835 120948 115836 110722
11 River 7360 7360 7360 7360 7360 7360 7360 7360 7360 7360 7360
Unit in Cell/Grid NON-BUILT UP AREAS
Class Land use 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
4 Urban open space 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100%
5 Openland 100% 89.95% 83.58% 78.52% 75.58% 72.59% 69.18% 65.24% 61.88% 57.84% 52.18%
6 Plantation 100% 94.82% 89.50% 83.38% 76.94% 69.90% 62.55% 55.20% 48.80% 43.04% 37.48%
7 Dryland 100% 89.82% 82.01% 75.81% 69.17% 65.02% 61.97% 59.52% 56.67% 54.21% 52.16%
8 Fishpond 100% 98.69% 97.13% 95.52% 93.98% 92.40% 90.85% 89.50% 88.17% 87.00% 85.83%
9 Swamp 100% 98.92% 98.03% 97.23% 96.50% 95.72% 94.90% 94.24% 93.54% 92.76% 91.73%
10 Paddy Field 100% 97.62% 94.97% 92.25% 89.54% 86.67% 83.76% 80.74% 77.61% 74.33% 71.05%
Catatan: Analisis dapat dilakukan lebih dalam dan spesifik untuk tiap batas administrasi yang lebih kecil, seperti batas kecamatan. Dengan melakukan kajian mendalam akan didapatkan besaran rinci perubahan per
kecamatan, sehingga dapat diperoleh usulan kebijakan tiap wilayah yang lebih spesifik pula.
37.48%
91.73%
71.05%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
openland Plantation Dryland Swamp Paddy Field
