3511201902 - bagian awal
TRANSCRIPT
Telah disusun untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar
Magister Teknik (MT)
Di
Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Oleh:
ABDI SUKMONO
3511201902
Tanggal Ujian :
Periode Wisuda 107
Disetujui oleh:
1. Prof. Dr. Ir. Bangun Muljo S, DEA, DESSNIP.19530527 198303 1001 (Pembimbing)
2. Hepi Hapsari Handayani, ST, MScNIP.197812122005012001 (Pembimbing)
3. Dr. Arief Darmawan, S.Si, MScNIP.196904201996121002 (Pembimbing)
4. Dr-Ing. Ir. Teguh Haryanto, M.Sc. NIP.19590819 198502 1001 (Penguji)
5. Dr. Ir. Muhammad TaufikNIP.19550919 198603 1001 (Penguji)
6. Ir. Yuwono, MS NIP.19590124 198502 1001 (Penguji)
Direktur Program Pascasarjana
Prof. Dr. Ir. Adi Soeprijanto, MT NIP 1964 0405 1990 02 1001
i
“ Halaman Ini Sengaja Dikosongkan”
ii
MODEL ESTIMASI KANDUNGAN KLOROFIL DAN KERAPATAN DAUN TANAMAN PADI DENGAN CITRA HYPERSPECTRAL
BERBASIS SPEKTRAL IN SITU
Nama : Abdi SukmonoNRP : 3511 201 902Pembimbing : 1. Prof.Dr.Ir.Bangun Muljo S, DEA, DESS
2. Hepi Hapsari Handayani,ST,MSc3. Dr. Arief Darmawan, S.Si, MSc
ABSTRAK
Data Parameter biofisik seperti klorofil dan kerapatan daun tanaman sangat diperlukan dalam manajemen pengelolaan pertanian. Klorofil merupakan pigmen yang paling penting dalam proses fotosintesis.Tanaman sehat yang mampu tumbuh maksimum umumnya memiliki jumlah klorofil yang lebih besar daripada tanaman yang tidak sehat. Sedangkan Kerapatan daun sangat erat dengan fase pertumbuhan. Dalam Estimasi kandungan klorofil dan kerapatan daun tanaman padi dengan citra hyperspectral dibutuhkan algoritma khusus untuk mendapatkan akurasi yang baik. Objek dari penelitian ini mengembangkan reflektan in situ menjadi model algoritma estimasi kandungan klorofil dan kerapatan daun tanaman padi untuk citra airborne hyperspectral.
Dalam penelitian ini beberapa indeks vegetasi seperti normalized difference vegetation index (NDVI), modified simple ratio (MSR) , Triangle Vegetation Index (TVI), Soil Adjusted Vegetation Index (SAVI), modified / transformed chlorophyll absorption ratio index (MCARI, TCARI) dan bentuk integrasi (MCARI/OSAVI and TCARI/OSAVI) digunakan untuk membentuk model estimasi dengan metode regresi. Selain itu juga digunakan pendekatan model dengan Multiple Linear Regression (MLR), Principle Component Regeression (PCR) dan Partial Least Square Regression (PLSR)
Dari proses regresi didapatkan empat ground model yang mempunyai korelasi kuat (R2≥0.5) terhadap klorofil tanaman padi. Keempat model tersebut adalah MLR 5 band (699.4 nm, 2428.2 nm, 774.8 nm, 1148.8 nm dan 531.2 nm), TCARI/OSAVI (683.9 nm, 714.5 nm, 805.5 nm dan 546.6 nm) dan Red Edge Absorption Clhorophyll Index (774.8 nm, 714.5 nm dan 638. 3 nm serta PLSR (44 Band) PC no 11. Model paling optimal untuk estimasi kandungan klorofil daun padi yaitu PLSR (44 band) dengan R2 sebesar 0.754 dan RMSE sebesar 1.44 SPAD unit. Untuk Estimasi Kerapatan daun hampir semua Indeks dan metode mempunyai Korelasi sangat kuat (R2≥0.75) yang meliputi RDVI (668.5 nm dan 805.5 nm), MSAVI (668.5 nm dan 805.5 nm), MTVI 1 (668.5 nm, 805.5 nm dan 546.6 nm), MTVI 2 (668.5 nm, 805.5 nm dan 546.6 nm), MLR (934.3 nm, 1758.7 nm, 729.7 nm, 531,2 nm dan 455.5 nm), PCR 44 Band (PC no 3). Model paling optimal untuk estimasi kandungan klorofil daun padi yaitu PLSR (44 band) dengan R2 sebesar 0.93 dan RMSE sebesar 0.29 LAI unit.
iii
Kata Kunci: Klorofil, Kerapatan daun, Padi, Hyperspectral
iv
MODEL ESTIMATING CHLOROPHYLL CONCENTRATION AND LEAF AREA INDEX (LAI) OF
RICE USING AIRBORNE HYPERSPECTRAL DATA BASED ON SPECTRAL IN SITU
Name : Abdi SukmonoStudent Number : 3511 201 902Supervisor : 1. Prof.Dr.Ir.Bangun Muljo S, DEA, DESS
2. Hepi Hapsari Handayani,ST,MSc3. Dr. Arief Darmawan, S.Si, MSc
ABSTRAK
Biophysical parameter such as Chlorophyll and Leaf Area Index (LAI) is required in management of agriculture. Chlorophylls are the most important pigments for photosynthesis. The amount of chlorophyll per unit leaf area in crop is an indicator of the overall condition of the plant. Healthy plants capable of maximum growth are generally expected to have larger amounts of chlorophyll than unhealthy ones. Then Monitoring the distribution and changes Leaf Area Index (LAI) is important for assessing growth and vigour vegetation. Estimation of Chlorophyll and LAI of rice using hyperspectral data need special algorithm for the great accuracy. Object of this research developed the reflectant in situ to model algorithm of estimation Chlorophyll content and LAI of rice for airborne hyperspectral image.
In this research, several vegetation indices such as normalized difference vegetation index (NDVI), modified simple ratio (MSR) index Triangle Vegetation Index (TVI), Soil Adjusted Vegetation Index (SAVI) and the modified chlorophyll absorption ratio index (MCARI, TCARI) and the integrated forms (MCARI/OSAVI and TCARI/OSAVI) were tested using regression to achieved model estimation Chlorophyll content and LAI of rice. Besides that, Multiple Linear Regression (MLR), Principle Component Regression (PCR), Partial Least Square Regression (PLSR) are used.
In the result, there are four models that have strong correlation with chlorophyll of rice. The models are adalah MLR 5 band (699.4 nm, 2428.2 nm, 774.8 nm, 1148.8 nm dan 531.2 nm), TCARI/OSAVI (683.9 nm, 714.5 nm, 805.5 nm dan 546.6 nm) dan Red Edge Absorption Clhorophyll Index (774.8 nm, 714.5 nm dan 638. 3 nm serta PLSR (44 Band) PC no 11. The best model is PLSR (44 band) with R2 = 0.754 and RMSE = 1.44 SPAD unit. Almost all index and method have very strong correlation (R2≥0.75) with LAI such as RDVI (668.5 nm dan 805.5 nm), MSAVI (668.5 nm dan 805.5 nm), MTVI 1 (668.5 nm, 805.5 nm dan 546.6 nm), MTVI 2 (668.5 nm, 805.5 nm dan 546.6 nm), MLR (934.3 nm, 1758.7 nm, 729.7 nm, 531,2 nm dan 455.5 nm), PCR 44 Band (PC no 7). The best model for estimating LAI is PLSR (44 band) with R2 = 0.93 dan RMSE = 0.29 LAI unit.
v
Key words: Chlorophyll ,LAI, Rice, Hyperspectral
vi
“ Halaman Ini Sengaja Dikosongkan”
KATA PENGANTAR
Alhamdulillahi robbil ‘alamin. Puji syukur penulis panjatkan atas
kehadirat Allah SWT, yang telah memberikan rahmat dan hidayah-Nya berupa
keimanan, kekuatan dan kemudahan sehingga penulis dapat menyelesaikan Tesis
dengan judul “Model Estimasi Kandungan Klorofil dan Kerapatan Daun
Tanaman Padi Dengan Citra Hyperspectral Berbasis Data Reflektan In Situ”.
Perkembangan sensor dalam teknologi penginderaan jauh optik cukup pesat.
Munculnya sensor hyperspectral memberikan ruang bagi pemanfaatan teknologi
penginderaan jauh untuk dapat melakukan idenstifikasi dan estimasi lebih akurat
baik untuk parameter biofisik maupun biokimia. Dengan Jumlah band yang
mencapai ratusan kanal menjadikan tantangan tersendiri bagi peneliti-peneliti
untuk memanfaatkannya sebagai variabel prediktor dalam mengestimasi suatu
obyek melalui sebuah pendekatan pemodelan data citra.
Dalam penelitian ini, pemanfaatan beberapa teknik dan metode regresi
seperti Multiple Linear Regression (MLR), Principle Component
Regression(PCR), dan Partial Least Square Regression (PLSR) digunakan untuk
dapat mendekati model yang akurat untuk estimasi klorofil dan kerapatan daun
tanaman padi dengan citra hyperspectral. Beberapa studi pendekatan model
dengan teknik ini telah digunakan oleh beberapa peneliti untuk estimasi beberapa
obyek pada jenis tanaman yang berbeda seperti jagung, gandum dan citrus.
Sebagian dari Tesis ini telah dipublikasikan pada forum ilmiah nasional
dengan judul sebagai berikut :
Sukmono, Abdi., Bangun M.S., Arief D., Hepi H. H, Model Estimasi Kan-
dungan Klorofil Tanaman Padi Pada Citra Airborne Hyperspectral Berba-
sis Spektral In Situ Dengan Metode Partial Least Square Regression
(PLSR).Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Teknologi Prasarana Wilayah
(ATPW) 2013. Surabaya, 26 Juni 2013
Sukmono, Abdi., Bangun M.S., Arief D., Hepi H. H, Model Estimasi Kera-
patan Daun Tanaman Padi Dengan Citra Hyperspectral Untuk Pemantauan
Fase Tumbuh Padi. Prosiding Seminar Nasional Pendayagunaan Informasi
Geospasial 2013. Surakarta, 20 Juni 2013
vii
Penyelesaian penelitian ini tidak lepas dari bantuan, saran dan masukan
berbagai pihak dan pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima
kasih yang setulusnya kepada:
1. Prof. Dr Bangun Muljo Sukojo, DEA, DESS sebagai Pembimbing
Utama dari Teknik Geomatika ITS
2. Hepi Hapsari Handayani, ST, M.Sc sebagai Ko-Pembimbing I dari
Teknik Geomatika ITS
3. Dr Ir Arief Darmawan, S.Si, M.Sc sebagai Ko- Pembimbing II dari In-
stansi PTISDA-BPPT.
4. Dr. Ing Teguh Hariyanto, MSc selaku Ketua Program Pascasarjana
Teknik Geomatika ITS.
5. Dr. Ir. M. Taufik selaku Ketua Jurusan Teknik Geomatika ITS.
6. Staf dan Karyawan Jurusan Teknik Geomatika ITS yang banyak mem-
berikan bantuan dan masukan bagi penulis.
7. Staf dan Karyawan PTISDA-BPPT yang telah memberikan bantuan
sebagai Narasumber dan pembelajaran pengolahan data.
8. Semua pihak yang telah membantu dan mendukung hingga terselesainya
tugas akhir ini baik secara langsung maupun tidak langsung yang tidak
mungkin penulis sebutkan satu-persatu.
Secara khusus diucapakan terima kasih setulus-tulusnya kepada kedua orang
tuaku tercinta atas segala dukungan, doa dan motivasi yang tiada henti diberikan
kepada penulis.
Penulis menyadari adanya kelemahan dan kekurangan dalam penulisan tesis
ini. Masukan-masukan konstruktif dalam penyempurnaan tulisan ini sangat
penulis harapkan.
Surabaya, Juli 2013
Penulis
viii
DAFTAR ISI
LEMBAR PENGESAHAN............................................................................ i
ABSTRAK..................................................................................................... .iii
KATA PENGANTAR................................................................................... vii
DAFTAR ISI...................................................................................................ix
DAFTAR GAMBAR.....................................................................................xiii
DAFTAR TABEL...........................................................................................xv
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang..........................................................................................1
1.2 Perumusan Masalah...................................................................................3
1.3 Batasan Masalah........................................................................................3
1.4 Tujuan Penelitian.......................................................................................3
1.5 Manfaat Penelitian.....................................................................................3
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
1.6 Tanaman Padi............................................................................................5
1.7 Klorofil......................................................................................................7
1.8 Penginderaan Jauh.....................................................................................8
1.9 Spektrum Elektromagnetik........................................................................10
1.10..................................................................................................................Re-
flektan........................................................................................................11
1.11..................................................................................................................Tekno
logi Hiperspektral Penginderaan Jauh.......................................................11
2.6.1 Teknologi Hiperspektral...................................................................11
2.6.2 Akuisisi Data Hiperspektral.............................................................12
1.12..................................................................................................................Prin-
sip-Prinsip Spectroscopy...........................................................................13
1.13..................................................................................................................Sen-
sor HyMap.................................................................................................14
ix
2.8.1 Karakteristik HyMap........................................................................14
2.8.2 Desain Sensor HyMap......................................................................15
1.14..................................................................................................................Pen-
gukuran Kandungan Hijau Daun...............................................................16
2.10 Edge Absorption Chlorophyll Indices (EACI)........................................17
2.11 Indeks Vegetasi.......................................................................................18
2.12 Leaf Area Index (LAI).............................................................................20
2.13 Regresi.....................................................................................................21
2.13.1 Regresi Linear Sederhana...............................................................21
2.13.2 Multiple Linear Regression (MLR)................................................22
2.14 Spectral Resampling................................................................................23
2.15 Metode Smoothing Savitzky Golay.........................................................24
2.16 Metode Derivatif Reflektan.....................................................................24
2.17 Principle Component Analysis (PCA).....................................................25
2.18 Penelitian Terdahulu................................................................................26
BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Lokasi Penelitian ......................................................................................27
3.2 Data dan Peralatan Penelitian....................................................................27
3.2.1 Data..................................................................................................27
3.2.2 Peralatan...........................................................................................28
3.3 Metode Penelitian......................................................................................28
3.4 Pengambilan Data......................................................................................29
3.4.1 Pengambilan Data Klorofil In Situ...................................................30
3.4.2 Pengambilan Data Kondisi Tanaman...............................................31
3.4.3 Pengambilan Data Field Spectrometer.............................................31
3.4.4 Pengambilan Data Leaf Area Index (LAI) In Situ............................32
3.4.5 Pengambilan Data Airborne Hyperspectral.....................................32
3.5 Pengolahan Data........................................................................................33
BAB 4 HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
x
4.1....................................................................................................................Re-
flektan In Situ Padi Setiap Fase Tumbuh..................................................37
4.2....................................................................................................................Pemot
ongan Kanal Pada Zona Absorpsi Air Atmosfer.......................................39
4.3....................................................................................................................Anal-
isa Data Kerapatan dan Klorofil Daun In Situ...........................................40
4.4....................................................................................................................Hasil
Processing Data Airborne Hyperspectral.................................................42
4.4.1 Georeferensi.....................................................................................42
4.4.2 Koreksi Geometrik...........................................................................43
4.4.2 Mosaik Citra.....................................................................................44
4.5....................................................................................................................Mode
l Indeks Estimasi Dengan Indeks Vegetasi...............................................45
4.5.1 Model Estimasi Klorofil Dengan Indeks Vegetasi...........................45
4.4.2 Model Estimasi Kerapatan Daun Dengan Indeks Vegetasi..............52
4.6....................................................................................................................Mode
l Estimasi Dengan Multiple Linear Regression (MLR) 5 Band................55
4.7....................................................................................................................Mode
l Estimasi Dengan Principle Component Regression (PCR)....................58
4.8....................................................................................................................Mode
l Estimasi Dengan Partial Least Square Regression (PLSR)...................61
4.9....................................................................................................................Anali
sa Model Optimal.....................................................................................66
4.9.1 Analisa Model Optimal Pada Estimasi Klorofil...............................66
4.9.2 Koreksi Model Optimal Kerapatan Daun.........................................68
4.10 Model Pada Citra Airborne Hyperspectral.............................................69
4.11 Peta Distribusi Klorofil dan Kerapatan Daun..........................................73
BAB 5KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan................................................................................................75
5.2 Saran..........................................................................................................75
xi
DAFTAR PUSTAKA..................................................................................... 77
LAMPIRAN
xii
“ Halaman Ini Sengaja Dikosongkan”
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Tanaman Padi.............................................................................. 5
Gambar 2.2 Spektrum Elektromagnetik......................................................... 10
Gambar 2.3 Reflektan..................................................................................... 11
Gambar 2.4 Pantulan Searah dan Menyebar................................................... 11
Gambar 2.5 Skala Ruang Beberapa Wahana Pengamatan ............................. 12
Gambar 2.6 Electro-Optical Sensor................................................................ 13
Gambar 2.7 Penjelasan FOV dan IFOV......................................................... 13
Gambar 2.8 Perbandingan Jumlah Kanal Dalam Penginderaan Jauh............. 14
Gambar 2.9 Konsentrasi Klorofil Vs Spektrum Biru/Merah.......................... 16
Gambar 2.10 Metode Seleksi Panjang Gelombang Turunan Pertama............ 17
Gambar 2.11 Full Width at Half Maximum................................................... 23
Gambar 3.1 Lokasi ROI Penelitian................................................................. 27
Gambar 3.2 Tahapan Penelitian...................................................................... 28
Gambar 3.3 Skema Denah Pengambilan Data ............................................... 29
Gambar 3.4 Titik Pengukuran Klorofil Denagn SPAD 502 Pada daun.......... 30
Gambar 3.5 Denah Pengambilan Data Field Spectrometer pada QA............. 31
Gambar 4.1 Letak Persebaran Sampling Area................................................ 37
Gambar 4.2 Reflektan Tiap Fase Pertumbuhan.............................................. 39
Gambar 4.3 Posisi Panjang Zona Absorpsi Air Pada Atmosfer..................... 40
Gambar 4.4 Prinsip kerja SPAD MINOLTA.................................................. 41
Gambar 4.5 Hubungan Antara Data Klorofil dan Klorofil Laboratorium...... 41
Gambar 4.6 Citra Hymap Belum Tergeorefensi............................................. 42
Gambar 4.7 Citra Hymap Tergeoreferensi...................................................... 43
Gambar 4.8 Lajur Citra HyMap Indramayu Terkoreksi................................. 44
Gambar 4.9 Citra Mozaiking Pada Band True Color...................................... 45
Gambar 4.10 Kurva Hasil Regresi Indeks Vegetasi dan Klorofil................... 46
Gambar 4.11 Puncak Gelombang Spektrum dan Dervatif.............................. 49
Gambar 4.12 Kurva Hasil Regresi EACI dan Klorofil................................... 51
Gambar 4.13 Kurva Hasil Regresi Indeks Vegetasi dan LAI ........................ 53
xiii
Gambar 4.14 Pemilihan Band Untuk Pemodelan Dengan PCR dan PLSR.... 59
Gambar 4.15 Kurva Hasil Regresi PCR......................................................... 61
Gambar 4.16 Grafik Seleksi Model Estimasi Klorofil dan Kerapatan Daun . 62
Gambar 4.17 Perbandingan Koefisien Plot Klorofil....................................... 64
Gambar 4.18 Perbandingan Koefisien Plot Kerapatan Daun ......................... 65
Gambar 4.19 Perbandingan antara prediksi model dan pengukuran.............. 67
Gambar 4.20 Perbandingan Pendekatan REACI 2 dan PLSR 44 Band......... 71
Gambar 4.21 Perbandingan Pendekatan RDVI , MLR dan PLSR 44 Band. .. 72
Gambar 4.21 Peta Distribusi Klorofil dan Kerapatan Daun........................... 73
xiv
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Tahapan Pertumbuhan Padi............................................................ 6
Tabel 2.2 Spektrum Sensor HyMap................................................................ 15
Tabel 2.3 Karakteristik Citra HyMap............................................................. 15
Tabel 2.4 Parameter Pengoperasian Sensor HyMap....................................... 15
Tabel 2.5 Indeks Vegetetasi Yang Digunakan ............................................... 18
Tabel 2.6 Penelitian Terkait LAI.................................................................... 21
Tabel 4.1 Pengelompokan Fase Pertumbuhan QA......................................... 37
Tabel 4.2 Koreksi Geometrik Pada Setiap Lajur............................................ 44
Tabel 4.3 Hasil Regresi Indeks Vegetasi dan Klorofil................................... 47
Tabel 4.4 Pembagian Region Spektrum.......................................................... 49
Tabel 4.5 Posisi Panjang Gelombang Terpilih dari Gambar 4.10.................. 50
Tabel 4.6 Hasil Regresi EACI dan Klorofil.................................................... 51
Tabel 4.7 Hasil Regresi Indeks Vegetasi dan LAI ......................................... 53
Tabel 4.8 Hasil Regresi MLR Klorofil........................................................... 56
Tabel 4.9 Hasil Regresi MLR Kerapatan Daun.............................................. 56
Tabel 4.10 Pemilihan Band Untuk Pemodelan Dengan PCR dan PLSR........ 59
Tabel 4.11 Hasil Perhitungan PCR................................................................. 60
Tabel 4.12 Hasil regresi PLSR Klorofil daun................................................. 62
Tabel 4.13 Hasil Regresi PLSR dan Kerapatan Daun.................................... 63
Tabel 4.14 Hasil PC No 11............................................................................. 63
Tabel 4.15 Model Optimal Estimasi Klorofil................................................. 66
Tabel 4.16 Model Optimal Estimasi Klorofil................................................. 66
Tabel 4.17 Hasil Aplikasi Model Klorofil Pada Citra Airborne HyMap........ 70
Tabel 4.18 Hasil Aplikasi Model LAI Pada Citra Airborne HyMap.............. 71
xv
xvi
“ Halaman Ini Sengaja Dikosongkan”