920_d2

8/10/2019 '920_D2

1/10

PEMODELAN KETIDAKSTABILAN KAMERA DAN GERAKAN

PESAWAT PADA SAAT PEMOTRETAN

FOTO UDARA FORMAT KECIL

Harintaka1, Subaryono

2, Adhi Susanto

3, Hartono

4

1,2Jurusan Teknik Geodesi, FT-UGM. JL.Grafika 2, Bulaksumur, Yogyakarta 55281

3Jurusan Teknik Elektro, FT-UGM. JL.Grafika 2, Bulaksumur, Yogyakarta 552814Fakultas Geografi UGM. Sekip Utara, JL. Kaliurang, Bulaksumur, Yogyakarta 55281

INTISARI

Foto Udara Format Kecil (FUFK) memiliki beberapa keunggulan, antara lain: biaya

operasional yang murah, peralatan mudah diperoleh, dan cepat untuk mendapatkan data. Pada

batasan tertentu, FUFK potensial dimanfaatkan untuk penyediaan data spasial, antara lainberupa: foto udara, ortofoto, mosaik ortofoto, dan peta garis. Tetapi FUFK memiliki kelemahan

utama pada sistem pencitraan atau sistem kameranya yang menggunakan kamera non metrik.

Sistem kamera FUFK sangat potensial memiliki distorsi geometrik dan ketidakstabilan

parameter instrinsik kamera. Ketidakstabilan kamera berarti perubahan nilai instrinsik kamera,

sedangkan gerakan pesawat adalah perubahan posisi dan orientasi pusat proyeksi kamera setiap

pemotretan. Gerakan pesawat yang relatif tidak konstan ini disebabkan oleh penggunaan

pesawat ultralight. Pada makalah ini dikaji pemodelan ketidakstabilan kamera menggunakan

cara kalibrasi kamera, sedangkan gerakan kamera menggunakan algoritma perpotongan

kebelakang atauspace resection(SR).

Tahapan studi mencakup kalibrasi sistem kamera FUFK dan hitungan SR. Jika hasil in-

field calibration tidakberbeda signifikan dengan hasil in-flight calibation maka kamera non

metrik yang digunakan memiliki stabilitas baik. Hitungan SR dapat dilakukan mandiri untuk

setiap foto atau serempak (simultan) untuk muti foto. SR untuk foto tunggal memerlukan

minimal 3 TKT 3D (Titik Kontrol Tanah Tiga Dimensi). Untuk 1 blok daerah yang terdiri

banyak foto, maka akan efisien jika dilakukan hitungan SR secara simultan atau triangulasi

udara.

Hasil kajian menunjukkan bahwa nilai instrinsik kamera dalam 1 sesi pemotretan

cenderung tetap, tetapi antar sesi yang berbeda (sesi in-field dan in-flight) nilainya dapat

berbeda. Rata-rata variasi beda tinggi pemotretan terhadap tinggi pemotretan adalah 1,7%.

Untuk arah absis (X) atau sepanjang jalur terbang kecepatan pesawat stabil sepanjang jalur

terbang, untuk arah ordinat (Y) jalur terbang tidak konstan/lurus dan sangat potensial

menyebabkan gap antar jalur terbang, sehingga toleransi sidelap harus diperbesar pada tahap

perencanaan pemotretan.Kata kunci: Foto Udara Format Kecil (FUFK), kamera non metrik, space resection (SR),

kalibrasi kamera, ketidakstabilan (instability) kamera, gerakan pesawat.

PENGANTAR

Pada dasarnya, teknologi FUFK adalah menghasilkan foto udara dengan

menggunakan kamera non metrik/kamera amatir (kamera yang tidak didesain untuk

keperluan pemotretan udara) dan menggunakan pesawat ringan (ultralight). Warner et

al (1996) mengklasifikasikan jenis kamera berdasarkan ukuran film/framedan panjang

8/10/2019 '920_D2

2/10

fokus kamera dalam 3 golongan, yaitu: kamera format standar, format medium, dan

format kecil. Kamera format kecil memiliki ukuran film/framesekitar 24 mm x 36 mm

dengan panjang fokus 35 mm, dapat berupa kamera analog atau digital. Kamera format

kecil ini sistem lensanya tidak didesain untuk keperluan pemetaan sehingga disebut

kamera non metrik dan harganya relatif murah, tetapi sangat potensial memiliki distorsi

geometri.

Distorsi geometrik pada FUFK cenderung lebih kompleks daripada foto udara

standar (foto udara metrik), dan secara spesifik dapat dikelompokkan dalam 2 kondisi,

yaitu kondisi intrinsik dan kondisi proses. Kondisi intrinsik disebabkan oleh nilai

intrinsik dan stabilitas sistem lensa. Dalam komunitas fotogrametri, nilai intrinsik lebih

dikenal sebagai parameter orientasi dalam (IOP, interior orientation parameter). Dan

umumnya ditentukan dengan cara kalibrasi kamera.

Kondisi proses yang disebabkan oleh operasional penggunaan pesawat ringan

untuk pemotretan. Jenis pesawat ini sangat dipengaruhi oleh kondisi angin dan

ketidaksinkronan antara saat pemotretan dan kecepatan pesawat yang menyebabkan

posisi (X, Y, Z) dan orientasi (, , ) kamera pada saat pemotretan yang dapat sangat

bervariasi antar foto. Kondisi proses pemotretan ini dapat menyebabkan: variasi skala

yang beragam antar foto, ketidakteraturan pertampalan (overlap) foto udara baik ke arah

jalur terbang dan antar jalur terbang, dan rasio B/H (Base/Height Ratio).

METODOLOGI

Kalibrasi kamera

Kalibrasi kamera ditujukan untuk memodelkan dan menentukan nilai distorsi

dan konstanta sistem optik yang ada pada kamera. Pada terminologi fotogrametri,

parameter distorsi dan konstanta tersebut disebut parameter orientasi dalam, yang terdiriatas (Wolf, 1983): panjang fokus, distorsi radial, distorsi tangensial, dan posisi titik

utama (principal point) yang diukur terhadap origin sumbu x dan y sistem koordinat

foto/citra.

Terdapat berbagai macam teknik kalibrasi kamera, secara operasional teknik

kalibrasi kamera dilakukan dengan 3 cara (Stensaas, 2007): in-laboratory, in-field, dan

in-flight. Teknik kalibrasi in-laboratory menggunakan peralatan multikolimator atau

goniometer. Teknik kalibrasi in-field menggunakan target dan parameter kalibrasi

8/10/2019 '920_D2

3/10

kamera dihitung menggunakan metode Bundle Adjustment, Plumb Line, atau DLT

(Direct Linear Transform). Teknik kalibrasi in-flight dilakukan pada saat pemotretan

udara di lapangan dan parameter kalibrasi kamera dihitung menggunakan metode BASC

(Bundle Adjustment with Self Calibration). Algoritma teknik BASC pada dasarnya

merupakan perluasan dari persamaan kolinier:

xTzZrTyYrTxXr

TzZrTyYrTxXrfxx

iii

iiioi +

++

++=

)()()((

)()()((

332313

312111

yTzZrTyYrTxXr

TzZrTyYrTxXrfyy

iii

iiioi +

++

++=

)()()((

)()()((

332313

322212 ______________ (1)

danDecentringDistorsiRadialDistorsi xxx __ +=

DecentringDistorsiRadialDistorsi yyy __ += ________________________________ (2)

dalam hal ini:

iii ZYX ,, : koordinat titik i pada sistem koordinat peta/tanah

ii yx , : koordinat titik i pada sistem koordinat foto

oo yx , : offset titik pusat proyeksi kamera

f : fokus kamera

TzTyTx ,, : koordinat titik pusat proyeksi kamera

3311,...,rr : elemen matriks rotasi, yang merupakan fungsi dari , ,

Posisi dan Orientasi Kamera

Perpotongan kebelakang atau space resection pada intinya adalah menentukan

parameter orientasi (, , ) dan posisi pusat proyeksi (Tx, Ty, Tz) kamera. Gambar 1

menunjukkan prinsip perpotongan kebelakang yang memerlukan minimal 3 buah titik

yang diketahui koordinat peta (titik A, B, C) dan koordinat fotonya (titik a, b, c). Bila

telah diketahui 6 buah parameter orientasi dan posisi pusat proyeksi sensor/kamera pada

saat pemotretan maka dengan menggunakan persamaan (3), setiap obyek pada citra

dapat dihitung koordinat petanya, tentu saja harus diketahui tinggi obyek di permukaan

tanah terhadap bidang referensi.

Perpotongan kebelakang pada prinsipnya dikembangkan dari persamaan

kolinier. Persamaan kolinier menyatakan bahwa titik obyek di permukaan tanah,

bayangannya di citra, dan pusat proyeksi terletak pada satu garis lurus (Wolf, 1983).

8/10/2019 '920_D2

4/10

Pada Gambar 1 ditunjukkan oleh titik B (di permukaan tanah), titik b (pada bidang

citra), dan O (pusat proyeksi) yang terletak pada satu garis lurus.

Gambar 1. Kondisi Kolinier dan Perpotongan Kebelakang (Harintaka, 2003)

Jika nilai offset pusat proyeksi foto dan distorsi lensa sama dengan nol, maka inversi

persamaan kolinier (persamaan (1)) adalah (JARS, 1993):

TxTzZfryrxr

fryrxr

X iii

iii ++

+

= )()(

)(

333231

131211

TyTxZfryrxr

fryrxrY i

ii

iii +

++

++= )(

)(

)(

333231

232221 ______________________________ (4)

Pelaksanaan

Peralatan yang dipergunakan pada penelitian ini terdiri dari: pesawat ultralight

single engine, kamera digital tipe SLR fixed zoom beserta dudukannya, dan alat ukur

terestris Total Station. Adapun bahan yang dipergunkan terdiri atas: titik target premark

yang terbuat dari kayu yang dicat putih dan target yang dipasang pada dinding.

Secara detail, pelaksanaan penelitian dapat dilihat pada Gambar 2. Pertama-tama

didesain target untuk kalibrasi kamera. Target untuk kalibrasi ada 2 macam, target yang

ditempatkan di dinding untuk kalibrasi in-field (Gambar 3.b) dan target yang berupa

premark (Gambar 3.a) yang akan digunakan untuk kalibrasi in-flight.

Untuk kalibrasi in-field, dilakukan 3 sesi pemotretan. Konfigurasi target dan

visualisasi posisi kamera saat pemotretan dapat dilihat pada Gambar 4. Untuk kalibrasi

0 (Tx,Ty,Tz)

A

B

C

ca (xb,yb,-f)

(XB,YB,ZB)

Ty

Tx

Tz

Permukaan Bumi

Bidang Foto

X

Z

Y

-f

8/10/2019 '920_D2

5/10

in-flight, dari serangkaian foto diambil 2 foto untuk proses kalibrasi. Visualisasi

kedudukan kamera saat pemotretan dapat dilihat pada Gambar 5.b.

Gambar 2. Kondisi kolinier dan perpotongan kebelakang (Harintaka, 2003)

Gambar 3. Pemasangan target untuk in-flight(a) dan in-field calibration(b), serta alat

TS untuk pengukuran posisi premark (c).

Sebelum dilaksanakan pemotretan udara, terlebih dahulu ditentukan dan

dipasang titik premark (Gambar 3.a) dan posisi 3D titik premark ini diukur dengan

menggunakan alat Total Station (Gambar 3.c). Berdasarkan posisi beberapa titik

premark ini, dilakukan hitungan nilai instrinsik kamera dan sekaligus hitungan

pemotongan kebelakang (SR) menggunakan persamaan (1).

Desain dan kalibrasi Sistem FUFK

Koreksi dan

Hitun an Data

Pengukuran

Terestris Total

Station (TS)

Titik Kontrol

(X,Y, Z)

Perencanaan pemotretan udara

Desain dan penempatanpremark(TKT)

Pelaksanaan pemotretan udara

Foto Udara Format Kecil (FUFK)

Fotoudara1

Fotoudara2

.

Hitungan perpotongan kebelakang (SR)

Parameter gerakan pesawat

Model IOP

in-field

Model IOP dan ketidakstabilan kamera

Model gerakan pesawat (posisi dan orientasi)

kamera pada setiap foto

a b c

8/10/2019 '920_D2

6/10

Gambar 4. Target untuk in-field(a) dan visualiasi kamera saat pemotretan (b).

Gambar 5. Distribusi target premark untuk in-flight(a) dan visualisasi posisi kamera

saat pemotretan (b)

HASIL DAN PEMBAHASAN

Model Ketidakstabilan Kamera

Kestabilan atau ketidakstabilan parameter instrinsik kamera non metrik yang

digunakan dimodelkan dengan cara kalibrasi kamera. Pada dasarnya, kalibrasi

dipergunakan untuk menghitung nilai instrinsik kamera dan jika dilakukan dalam 2

epoch maka dapat dikaji kestabilannya.

Pada Gambar 6 disajikan grafik nilai instrinsik kamera untuk 2 epoch kalibrasi,

cara in-flight (Gambar 6.a) dan in-field (Gambar 6.b). Berdasarkan gambar tersebut,

dalam 1 sesi kalibrasi terlihat bahwa nilai IOP tetap, baik sesi in-fieldmaupun in-flight.

Tetapi, nilai IOP antar sesi berbeda. Meskipun fraksi perbedaannya cukup kecil, sekitar

10-2 10-1mm, tetapi dalam fotogrametri hal ini dapat menyebabkan hal yang cukup

serius, terutama pada skala menengah. Perlu diingat bahwa pada FUFK umumnya

menggunakan kamera non metrik dengan ukuran framemaksimal 24 x 36 mm dengan

fokus antara 24-36 mm dan dimensi CCD antara 5-10 micron, tinggi terbang 800 1000

m diatas permukaan tanah, sehingga skala empirik sekitar 1:20.00-1:40.000, tetapi

dengan nilai GSD antara 10 - 20 cm.

a a a b

a ba

8/10/2019 '920_D2

7/10

Gambar 6. Nilai instrinsik kamera pada teknik kalibrasi in-flight(a) dan in-field(b)

Model Gerakan Kamera

Pada Gambar 7 disajikan visualisasi posisi pusat proyeksi (Tx,Ty,Tz) semua

foto per- jalur terbang. Terdapat pola yang seragam untuk setiap posisi X, Y, dan Z.

Untuk arah X atau sepanjang jalur terbang (Gambar 7.a), grafik cenderung tidak linier

dengan slope/kemiringan positif dan negatif. Untuk grafik dengan slope positif

menujukkan arah jalur terbang dari B-T (Barat ke Timur), sedangkan slope negatif

menunjukkan arah jalur terbang dari T-B (Timur ke Barat).

Untuk arah Y atau antar jalur terbang, (Gambar 7.b) menunjukkan pola yang

sama, cenderung tidak lurus. Perlu diingat, pada gambar tersebut julat grafik cukup

lebar, sekitar 200 m. Ini mengindikasikan bahwa gerakan pesawat relatif kurang stabil

pada arah utara untuk setiap jalur terbang. Ini dapat disebabkan oleh adanya cross wind,

sehingga jalur terbang tidak lurus, dan ini sangat potensial menyebabkangap(area yang

tidak terpotret) antar jalur terbang, sehingga toleransi sidelap harus diperbesar pada

tahap perencanaan pemotretan.

Untuk arah Z atau tinggi terbang saat pemotretan (Gambar 7.c), grafik rekaman

pola naik-turun. Dalam fotogrametri, perubahan ketinggian terbang dapat menyebabkan

perbedaan skala pemotretan dan cakupan daerah pemotretan. Jika tinggi terbang naik,

maka skala makin kecil dan cakupan pemotretan juga makin kecil. Rata-rata tinggi

terbang hitungan SR adalah 981,76 meter, rata-rata selisih tinggi setiap foto terhadap

rata-rata tinggi terbang 16,6 meter, sehingga dapat dihitung perbedaan tinggi terbang

tersebut adalah 1.7%. Nilai ini cukup bagus, mengingat beberapa spesifikasi pemotretan

udara memberikan toleransi perbedaan tinggi terbang sekitar 10%.

f (mm)xo (mm)

yo (mm)

24.1160

0.0270-0.0291

24.1160

0.0270-0.0291

24.1160

0.0270-0.0291

-5

0

5

10

15

20

25

f (mm)xo (mm)

yo (mm)

24.3651

-0.0513-0.0701

24.3651

-0.0513-0.0701

-5

0

5

10

15

20

25

a b

8/10/2019 '920_D2

8/10

(a). Posisi absis (X) pusat proyeksi setiap foto pada 6 jalur terbang

(b). Posisi ordinat (Y) pusat proyeksi setiap foto pada 6 jalur terbang

(c). Posisi ketingian (Z) pusat proyeksi setiap foto pada 6 jalur terbang

Gambar 7.Posisi (X,Y,Z) pusat proyeksi semua foto per- jalur terbang

Orientasi kamera saat pemotretan

Pada Gambar 8 disajikan visualisasi nilai orientasi kamera saat pemotretan hasil

hitungan SR untuk 6 jalur terbang. Terdapat 3 komponen orientasi kamera, yaitu

Posisi Absis pada 6 Jalur Terbang

460,000

460,500

461,000

461,500

462,000

462,500

463,000

463,500

0 5 10 15 20 25

Nomor Foto

Absis(X)(m

Run 1 Run 2 Run 3 Run 4 Run 5 Run 6

Posisi Ordinat pada 6 Jalur Terbang

9,138,200

9,138,400

9,138,600

9,138,800

9,139,000

9,139,200

9,139,400

9,139,600

9,139,800

9,140,000

9,140,200

9,140,400

0 5 10 15 20 25

Nomor Foto

Ordinat(Y)(m)


920

940

960

980

1,000

1,020

1,040

1,060

0 5 10 15 20 25

Nomor Foto

TinggiTerbang(m)


8/10/2019 '920_D2

9/10

(orientasi terhadap sumbu X), (orientasi terhadap sumbu Y, dan (orientasi terhadap

sumbu Z). Dari 3 kompenen tersebut, yang menunjukkan tegak atau miringnya foto

hanya nilai dan , sedangkan menujukkan orientasi arah terbang.

Pada Gambar 8, untuk semua jalur terbang, nilai berkisar sekitar +96 derajad

atau -96 derajad. Nilai +96 derajad menunjukkan arah jalur terbang B-T, sedangkan

nilai -96 derajad menunjukkan arah jalur terbang T-B. Untuk semua jalur terbang, rata-

rata nilai adalah 4.8 derajad, yaitu miring ke arah utara atau selatan. Jika nilainya (+)

miring ke arah selatan, dan () miring ke arah utara. Untuk semua jalur terbang, rata-

rata nilai adalah 2.6 derajad, yaitu ke arah timur atau barat. Jika nilainya (+) miring

ke arah barat, dan () miring ke arah timur.

(a). Jalur terbang 1 dan 2

(b). Jalur terbang 3 dan 4

(c). Jalur terbang 5 dan 6

Gambar 8. Orientasi setiap kamera saat pemotretan per jalur terbang

Berdasar Gambar 8 dan nilai rata-ratanya, maka kemiringan lebih besar

daripada , sehingga ini potensial menyebabkan gap (area yang tidak terpotret) antar

Orientasi Setiap Foto pada Jalur Terbang 2

-20

0

20

40

60

80

100

120

20 25 30 35 40 45

Nomor Foto

Orientasi(deg)

Sumbu X() Sumbu Y () Sumbu Z ()

Orientasi Setiap Foto Pada Jalur Terbang 3

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60

Nomor Foto

Orientasi(deg)



-20

0

20

40

60

80

100

120

140

60 62 64 66 68 70 72 74 76 78

Nomor Foto

Orientasi(deg)



-20

0

20

40

60

80

100

120

75 77 79 81 83 85 87 89 91 93 95

Nomor Foto

Orientasi

(deg)



-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

95 100 105 110 115 120

Nomor Foto

Orientasi

(deg)


Orientasi Setiap Foto pada Jalur Terbang 1

-20

0

20

40

60

80

100

120

0 5 10 15 20 25

Nomor Foto

Orientasi(deg)


8/10/2019 '920_D2

10/10

920_d2

Documents