Konsep Dasar Penginderaan Jauh

Penginderaan jauh adalah ilmu, teknologi dan seni perolehan data, pengolahan dan penyajian data yang merekam interaksi antara energi elektromagnetik dengan suatu obyek. Dengan kata lain dapat didefinisikan sebagai ilmu, teknologi dan seni untuk memperoleh informasi tentang suatu obyek, daerah, atau fenomena melalui analisis data yang diperoleh dengan suatu alat tanpa kontak langsung dengan obyek, daerah, atau fenomena yang dikaji.

Secara umum penginderaan jauh menunjukkan aktifitas perekaman, pengamatan dan penangkapan fenomena obyek atau peristiwa dari jarak tertentu. Dalam penginderaan jauh, sensor tidak langsung berkontak dengan obyek yang diamati. Hal tersebut membutuhkan alat penghantar secara fisik atau media untuk menyampaikan informasi dari obyek ke sensor melalui medium.

Energi Elektromagnetik dalam Penginderaan Jauh Satelit

Salah satu media yang paling banyak digunakan oleh penginderaan jauh dengan wahana satelit ialah transmisi energi secara elektromagnetik. Contoh energi elektromagnetik ini ialah cahaya yang nampak oleh mata manusia.

Ilustrasi perekaman fenomena di permukaan bumi

menggunakan teknologi penginderaan jauh

Energi elektromagnetik menunjukkan gejala gelombang yang ditransmisikan secara transversal. Pada dasarnya gejala gelombang ini dapat digambarkan sebagai gerak berayun yang harmonis memiliki frekuensi dan kecepatan tertentu serta dapat diilustrasikan sebagai gerak sinusoidal. Berdasarkan konsep fisika dasar, gelombang mempunyai persamaan umum sebagai berikut :

C  =  f  x  l

C =  kecepatan cahaya (3 x 10⁸ m/dtk)
f =  frekuensi
l =  panjang gelombang

Gelombang elektromagnetik yang meliputi

gelombang elektrik sinusoidal (E) dan Gelombang magnetik sinusoidal (M)

Energi elektromagnetik bergerak dengan kecepatan tertentu yaitu 3x10⁸ m/detik. Karena  kecepatan atau C tetap, maka  frekuensi f dan panjang gelombang λ selalu berbanding terbalik. Frekuensi atau panjang gelombang tertentu mempunyai karakteristik tertentu pula sehingga dikelompok-kelompokkan sebagai spektrum.

Spektrum Elektromagnetik

Nama spektrum biasanya digunakan pada bagian spektrum elektromagnetik, seperti gelombang inframerah, gelombang radio, gelombang mikro, dan sebagainya. Dan spektrum ini tidak mempunyai batasan yang tegas antara satu bagian spektrum satu dengan spektrum berikutnya. Bagian spektrum sinar tampak (± 0,4 – 0,7 μm) pada gambaran logaritmik merupakan bagian sempit, yang dapat memberikan sensasi pada mata manusia.

Sifat radiasi elektromagnetik lebih mudah dijelaskan dengan menggunakan teori gelombang, tetapi interaksi antara energi elektromagnetik dengan obyek-obyek lain dapat dijelaskan dengan teori partikel. Teori partikel menyatakan bahwa radiasi elektromagnetik terdiri dari beberapa bagian terpisah yang disebut sebagai foton. Hubungan antara teori gelombang dengan teori quantum dalam perilaku radiasi elektromagnetik dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut:

E  =  hc / l

Karena besarnya energi berbanding terbalik dengan panjang gelombang, maka dapat dikatakan bahwa makin panjang panjang gelombang yang digunakan makin rendah kandungan energinya.

Interaksi Energi Elektromagnetik dengan Atmosfer

Semua radiasi yang dideteksi oleh sensor pada sistem penginderaan jauh satelit melewati atmosfer dengan jarak atau panjang jalur tertentu. Panjang jalur tesebut dapat bervariasi panjangnya. Pada fotografi dari antariksa dihasilkan dari radiasi matahari yang melewati dua kali tebal penuh atmosfer bumi pada perjalannya dari sumber radiasi ke sensor. Selain itu, sensor termal yang mendeteksi energi yang dipancarkan oleh obyek di bumi, melewati jarak di atmosfer yang relatif pendek. Perbedaan jarak yang dilalui, kondisi atmosfer, panjang gelombang yang digunakan serta besarnya sinyal energi yang diindera berpengaruh terhadap variasi total atmosfer. 

Pengaruh atmosfer sangat bervariasi tergantung pada intensitas dan komposisi spektral radiasi yang tersedia bagi suatu sistem penginderaan satelit. Pengaruh ini disebabkan oleh mekanisme hamburan (scattering) dan serapan (absorption) oleh atmosfer.

Hamburan (Scaterring) dan Serapan (Absorption)

Interaksi Energi Elektromagnetik dengan Obyek di Permukaan Bumi

Bagian energi yang mengenai obyek dipermukaan bumi akan dipantulkan, diserap, atau ditransmisikan dengan menerapkan hukum kekekalan energi. Dalam hukum kekekalan energi tersebut dapat dinyatakan sebagai hubungan timbal balik antara tiga jenis interaksi energi tersebut, sebagai berikut:

E1  (l) = ER (l) + EA +ET (l)

E1 = energi yang mengenai obyek

ER = energi yang dipantulkan

EA = energi yang diserap

ET = energi yang ditransmisikan

Persamaan di atas merupakan suatu persamaan keseimbangan energi yang menunjukan hubungan timbal balik antara mekanisme pantulan, serapan dan transmisi. Dari persamaan di atas terdapat 2 (dua) hal penting :

1. Bagian energi yang dipantulkan, diserap dan ditransmisikan akan berbeda tergantung pada jenis materi dan kondisi obyek muka bumi. Dari perbedaan ini, memungkinkan kita dapat membedakan obyek yang berbeda pada suatu citra. 
2. Dengan panjang gelombang yang berbeda, untuk obyek yang sama, bagian energi yang dipantulkan diserap dan ditransmisikan kemungkinan akan berbeda. Sebagai akibatnya, variasi spectral ini akan menghasilkan efek visual yaitu warna. Sebagai contoh: obyek akan berwarna biru bila obyek tersebut banyak memantulkan bagian spectrum biru, berwarna hijau bila banyak memantulkan bagian spectrum hijau, dan seterusnya. Sehingga interpretasi visual dengan mata dapat menggunakan variasi spectral pada besaran energi pantulan untuk menbedakan berbagai obyek.

Pantulan Spektral Vegetasi, Tanah dan Air

Pantulan spectral energi elektromagnetik matahari
terhadap vegetasi, tanah dan air yang diterima oleh sensor satelit

Pada gambar di atas ditunjukkan suatu kurva pantulan spectral pada tiga obyek utama di permukaan bumi, yaitu vegetasi sehat berdaun hijau, tanah gundul (lempung coklat kelabu), dan air jernih. Garis pada kurva tersebut menyajikan kurva pantulan rata-rata yang dibuat dengan pengukuran sampel obyek yang jumlahnya banyak (Lillesand. 2002). Kurva ini menunjukkan suatu indikator tentang jenis dari kondisi obyek yang berkaitan. Walaupun pantulan obyek secara invidual akan berbeda besar di atas dan dibawah nilai rata-rata, tetapi kurva tersebut menunjukan beberapa titik fundamental yang berkaitan dengan pantulan spektral.

Vegetasi sehat berwarna hijau disebabkan oleh besarnya penyerapan energi pada spektrum hijau. Apabila tumbuhan mengalami beberapa gangguan, dan akan mempengaruhi proses pertumbuhan dan produksinya secara normal maka hal itu akan mengurangi atau mematikan produksi klorofil. Akibatnya berupa kurangnya serapan oleh klorofil pada saluran biru dan merah. Sering pantulan pada spektrum merah bertambah hingga kita lihat tumbuhan tampak berwarna kuning, gabungan antara hijau dan merah. (Lillesand 2000)

Kurva pantulan spektral yang mencirikan
obyek vegetasi, tanah dan air

Sensor

Sensor adalah alat untuk mengukur dan merekam energi elektromagnetik. Dalam sistem penginderaan jauh, sensor dapat dibedakan dalam 2 kategori yaitu:

1. Sensor Aktif, mempunyai sumber energi sendiri. Pengukuran dengan sensor aktif lebih dapat dikontrol karena tidak tergantung kepada kondisi cuaca dan waktu.  Sebagai contoh sensor aktif antara lain scanner LASER, RADAR altimeter, Citra RADAR, dsb
2. Sensor Pasif, tergantung pada sumber energi dari luar, yaitu matahari. Sehingga penginderaan jauh sistem pasif menerima energi yang dipantulkan dan/atau dipancarkan dari permukaan bumi. Teknologi penginderaan jauh satelit menggunakan sensor dengan saluran tampak mata (visible) dan inframerah. Kamera fotografi adalah merupakan sensor pasif yang paling lama dan umum dipakai. Sebagai contoh lain sensor pasif adalah gamma-ray spectrometer, kamera udara, kamera video dan scanner multispektral dan termal, dsb.

Wahana/Platform

Sistem wahana (platform) penginderaan jauh dapat dikategori dalam dua sistem:

1. Penginderaan jauh dengan airborne, yaitu dengan menggunakan pesawat udara (aircraft), balon udara, dan sebagainya.
2. Sistem penginderaan jauh menggunakan sistem speceborne yaitu dengan menggunakan wahana satelit, pesawat ruang angkasa, dsb.

Citra Penginderaan Jauh Satelit

Citra satelit penginderaan jauh adalah gambaran 2 dimensi (2D) yang menggambarkan suatu obyek dari pandangan nyata. Citra penginderaan jauh satelit menggambarkan bagian dari permukaan bumi yang terlihat dari suatu ruang.

Citra dapat berbentuk analog maupun digital. Sebagai contoh, foto udara merupakan citra analog berupa film dengan proses kimiawi untuk mendapatkan citra, sedang citra satelit didapatkan dari sensor elektronik dan diproses secara digital. Citra satelit yang dicetak atau dalam bentuk hardcopy dapat juga disebut sebagai citra/data analog.

Data penginderaan jauh tidak hanya sekedar sebagai gambar, tetapi data citra disimpan dalam format grid secara reguler yang biasa disebut sebagai data raster yang terdiri dari baris (row) dan kolom (column). Satu elemen terkecil dinamakan sebagai pixel (picture element). Untuk setiap pixel mempunyai informasi koordinat (row dan column) dan nilai spectral yang dikonversi dalam bentuk angka, yang biasa disebut DN (Digital Number).

Tiap pixel menggambarkan bagian wilayah permukaan bumi dengan nilai intensitas serta lokasi alamat dalam bentuk 2 dimensi. Nilai intensitas tersebut menggambarkan ukuran kuantitas fisik yang merupakan pantulan atau pancaran radiasi matahari dari suatu obyek dengan panjang gelombang tertentu yang diterima oleh sensor. Seperti disebutkan sebelumnya, intensitas pixel disimpan sebagai nilai digital (DN; Digital Number). DN disimpan dalam bits dengan jumlah tertentu.

Contoh Nilai Spektral Citra Satelit

Kualitas data penginderaan jauh pada utamanya ditentukan oleh karakteristik sistem sensor platform.

Data citra satelit Landsat TM5
dengan nilai spektral yang dimilikinya

Resolusi

1. Resolusi Spektral atau radiometrik. Resolusi ini berdasarkan pada masing-masing bagian dari Spektrum Elektromagnetik yang diukur dan perbedaan energi yang diamati. Sebagi contoh : Landsat 7 ETM+ mempunyai 9 saluran/band, SPOT5 menggunakan 5 band dan IKONOS II menggunakan 5 band.
2. Resolusi Spasial. Resolusi spasial didasarkan pada unit terkecil suatu obyek yang diukur, menunjukkan ukuran minimum obyek. Sebagai contoh ukuran per pixel untuk SPOT5 Pankromatik 5m x 5m dan 2.5m x 2.5; Multispektral 10m x 10m dan Landsat 7 ETM+ Pankromatik 15m x 15m; Multispektral 30m x 30m Termal A dan B 60m x60m; serta IKONOS II Pankromatik 1m x 1m, Multispektral 4m x 4m.
3. Resolusi Temporal. Resolusi temporal (Revisit time) adalah waktu pengulangan pengambilan atau perekaman data pada posisi obyek yang sama. Satelit Landsat 7 ETM+ melakukan pengambilan atau perekaman data pada posisi obyek yang sama setiap 16 hari, sedangkan satelit IKONOS II selama 4 hari untuk posisi tegak dan setiap hari dapat melakukan perekaman karena kemampuannya untuk perekaman dalam posisi oblique (miring).

Sumber :

• Lillesand and Kiefer, “Penginderaan Jauh dan Interpretasi Citra Penginderaan Jauh", Gadjah Mada University Press, Yogyakarta, 1998.
• Lucas L. F. Jenssen & Wim H. Bakker. 2000. “Principles of Remote Sensing. ITC Educational Textbook Series”. The International Institute for Aerospace Survey and Earth Sciences (ITC), Enschede – The Netherlands.