Studi Pemanfaatan UAV untuk Perhitungan Volume MaterialPerbandingan dengan Survey Terrestrial Laser Scanner (TLS)

Pendahuluan

Seberapa akurat data hasil survey dengan Unmanned Aerial Vehicle (UAV) untuk menghitung volume material?

Lokasi & kondisi

Lokasi

• Dicoba pada site material

• Tumpukan batu & pasir

• Luas area ±1.05 ha

Sistem pembanding

• Dengan terrestrial laser

scanner (TLS)

• Instrumen Leica C10

• Jarak 0.1-300 m

• Ketelitian 5 mm

Sistem UAV

• Dengan quad copter

• Kamera Nikon Coolpix

AW120 geotag 16 MP

• Tinggi terbang 50 m,

overlap 75%

• Total 219 foto GSD 15 mm

Sistem kontrol

• Dengan GNSS-RTK

• NavCom dual frequency

• Surveyor grade system

• Presisi elevasi 2-3 cm

• GCS pada 6 titik

Metode perhitungan volume

Metode

tradisional

•Mengukur breakline (crest, toe, creek, spot height)

• Volume dihitung dengan penjumlahan volume

penampang melintang atau profil sepanjang

sumbu tertentu

Metode

kontemporer

•Mengukur sebanyak-banyaknya titik pada

permukaan obyek (point cloud)

• Volume dihitung dengan volume profil permukaan

atau solid obyek secara 3D

Metode popular•Menghitung jumlah unit transport dengan

kapasitas masing-masing yang sudah fixed

Bagaimana menentukan akurasi volume?

error margin ±10 cm

h = 10 m

h = 3 m

A = 300 m2 ± 5 m2 (~1.6%)

A = 100 m2 ± 4.3 m2 (~4.3%)

Tidak mudah untuk menentukan akurasi perhitungan

volume, karena merupakan prosentase dari margin

kesalahan (error margin). Juga untuk membandingkan

berbagai metode perhitungan volume sangat sulit, karena

akurasi volume tidak hanya tergantung pada akurasi

pengambilan data permukaan, tetapi juga ketinggian

(ketebalan) volume terhitung.

Gambar di samping menunjukkan bahwa obyek dengan

ketebalan volume 10 m memiliki sensitivitas terhadap

kesalahan permukaan yang lebih kecil dibandingkan

dengan obyek setebal 3 m.

Oleh karena itu, analisis kemudian difokuskan kepada

perbandingan kesalahan permukaan (surface error).

Metode Pengukuran

Pengujian dataset surface

Pengukuran dilakukan pada area gumuk pasir di Pantai

Parangkusumo, Yogyakarta

Hasil generalisasi data UAV digunakan sebagai

reference plan, dengan pengaturan filter GSD pada

resolusi 15 mm.

Pengaturan pengolahan software fotogrametri

ditetapkan pada nilai standar untuk mendapatkan hasil

yang netral dan dapat digunakan berulang.

Data UAV kemudian dibandingkan secara statistik

dengan metode laser scanning:

Nilai koordinat foto UAV dikontrol dengan GCS

yang diukur dengan GNSS-RTK

Nilai koordinat foto UAV dibandingkan dengan

hasil pengukuran dengan TLS

Hasil perhitungan volume material foto UAV

dibandingkan dengan perhitungan volume data

point cloud TLS pada area seluas 1.05 ha

Spesifikasi system & data UAV

Jenis wahana: quad-copter (Nusatech QC-15)

Sensor: kamera Coolpix AW120 geotag 16 MP

Panjang fokal kamera: 4.3 mm

Tinggi terbang wahana: 53.763 m

Ground sampling distance (GSD): 15.186 mm/piksel (15 cm)

Jumlah foto: 219 station

Tie point: 33,527 titik

Error: 3.130 pixel

Kerapatan data: 1,084.08 titik/m2

Gambar di samping menunjukkan posisi kamera dan banyaknya

overlap pada suatu lokasi.

Spesifikasi system & data TLS

Jenis sistem: terrestrial laser scanner

Sensor: Leica ScanStation C10

Jangkauan laser: 0.1-300 m

Kecepatan pengukuran: 50,000 point/detik

Kerapatan data: 5.475 mm

Jumlah station: 4 station

Akurasi data point cloud ditunjukkan dengan tabel RMS

error pada proses registrasi di bawah ini:

RMS (m) AVG (m)

Scan 1 to 2 0.002000 0.012000 41 0.012161 0.006636

Scan 2 to 3 0.033000 0.024000 26 0.023654 0.018270

Scan 3 to 4 0.020000 0.018000 15 0.018002 0.011340

Average 0.017939 0.012082

Overlap error stats.IterationsError vector (m)Error (m)Registration

Spesifikasi GNSS & titik kontrol

Jenis sistem: advanced GNSS UltraRTK

Instrumen: NavCom LandPak SF-3040

Frekuensi: geodetic L1, L2, L2C, L5

Akurasi RTK: 10 mm + 0.5 ppm

Akurasi static: 5 mm + 0.5 ppm

Raw data rate: 5 Hz

Berikut adalah daftar koordinat GCS hasil pengamatan:

Point Easting (m) Northing (m) Elevation (m)

GCS1 424731.218000 9113711.361400 32.538100

GCS2 424729.508100 9113764.376500 31.928100

GCS3 424677.327900 9113780.377100 36.761100

GCS4 424664.642600 9113751.647000 36.432100

GCS5 424643.901800 9113714.485200 37.618100

GCS6 424712.493100 9113671.957500 30.011100

GNSS-RTK Coordinates

Hasil Pengukuran

Point X error (mm) Y error (mm) Z error (mm) Error (mm)

GCS1 20.443 19.457 5.334 28.722

GCS2 34.047 14.961 3.546 37.358

GCS3 82.379 35.815 0.174 89.828

GCS4 16.579 48.352 4.658 51.327

GCS5 20.224 16.913 1.800 26.425

GCS6 8.565 5.284 4.118 10.874

Rerata 30.373 23.464 3.272 38.520

Data posisi foto UAV vs GCS GNSS-RTK

Sebagai kontrol, sebanyak 6 titik pada 6 lokasi yang berbeda dibandingkan dengan data GCS yang diamati menggunakan advanced

GNSS-RTK. Rerata kesalahan arah sumbu X sebesar 30.373 mm (3 cm), arah sumbu Y sebesar 23.464 mm (2 cm) dan kesalahan

elevasi sebesar 3.272 mm. Hasilnya, kecilnya nilai error arah sumbu X, Y dan Z tersebut memberikan Error Vector hanya sebesar

38.520 mm (4 cm), atau kurang dari 3 kali GSD data foto UAV.

Point X error (mm) Y error (mm) Z error (mm) Error (mm)

GCS1 39.443 14.857 8.234 42.945

GCS2 20.058 50.842 12.259 56.014

GCS3 34.474 46.824 44.696 73.339

GCS4 43.303 42.581 1.105 60.741

GCS5 27.707 -33.784 2.459 43.762

GCS6 14.829 21.699 11.166 28.556

Rerata 29.969 23.837 13.320 40.543

Data posisi foto UAV vs point cloud TLS

Deviasi rerata antara data surface UAV dengan TLS berada di kisaran 1 s/d 3 cm, dengan Error Vector sebesar 40.543 mm (4 cm).

Hal ini mencapai level yang sesuai dengan hasil terbaik teoretis menggunakan metode fotogrametri, bahkan dengan kualitas foto

terendah sekalipun. Hasil lebih presisi dapat diperoleh dengan meningkatkan kualitas resolusi kamera atau menurunkan tinggi

terbang wahana UAV.

Point X error (mm) Y error (mm) Z error (mm) Error (mm)

GCS1 19.000 4.600 2.900 19.763

GCS2 13.989 35.881 8.713 39.485

GCS3 47.905 11.009 44.522 66.320

GCS4 26.724 5.771 3.553 27.570

GCS5 7.483 50.697 0.659 51.251

GCS6 6.264 26.983 7.048 28.583

Rerata 20.228 22.490 11.232 32.267

Data posisi point cloud TLS vs GNSS-RTK

Sebagai kontrol perbandingan, data pengukuran TLS juga dibandingkan dengan data GCS hasil pengamatan GNSS-RTK, yang

memberikan Error Vector sebesar 32.267 mm (3 cm). Hasil ini mengkonfirmasi bahwa hasil pengukuran dengan ketiga sistem

memberikan hasil yang konsisten, dengan kisaran deviasi di angka 1 s/d 3 GSD (1.5 s/d 4.5 cm).

Perbandingan Volume

Perbandingan volume

Untuk membandingkan hasil perhitungan volume secara relatif, diambil sebuah area gundukan gumuk pasir tanpa vegetasi seluas

±1.05 ha. Menggunakan software Surpac Geovia, perhitungan volume dilakukan dengan mengurangkan surface gumuk pasir aktual

pada bidang acuan 0 m, menggunakan metode Nett Volume. Mengingat jumlah titik point cloud hasil pengukuran sangat banyak

(mencapai puluhan juta titik), untuk bisa diolah menggunakan Surpac, data UAV dan TLS dibuat menjadi data point XYZ dengan

grid DSM 4 cm.

Hasil pemotongan data pada boundary area yang sama menghasilkan perbedaan jumlah titik, jumlah segitiga triangulasi yang

terbentuk dan luas permukaan area. Selisih luas area horizontal sebesar 1.792 m; selisih luas permukaan surface sebesar 32.235 m2;

dan selisih hasil perhitungan volume sebesar 436.947 m3.

Deviasi perhitungan volume data yang diambil dengan sistem UAV dan sistem TLS dalam studi ini adalah sebesar 0.123%

Sistem Ʃ Titik Ʃ Segitiga Z Datum Z Min (m) Z Max (m) Hz Area (m2) Surf. Area (m2) Volume (m3)

Photo UAV 259512 515275 0 29.692 38.059 10372.993 10493.653 354626.320

TLS 243455 483348 0 29.949 38.054 10371.201 10525.888 355063.267

Selisih 1.792 -32.235 -436.947

Deviasi -0.123%

Tampak planimetris (XY)

Tampak memanjang 1 (YZ)

Tampak memanjang 2 (XZ)

Potongan memanjang pada Y=9113745 N dengan perbesaran

elevasi 5x, atas data foto UAV dan bawah data TLS

Hasil pengukuran UAV pada ruang 3 dimensi

Kesimpulan

Akurasi

• Akurasi hasil pengukuran pada level sentimeter (cm)

• Deviasi memenuhi standar survey praktis untuk perhitungan volume (s/d 1%)

Presisi

• Presisi elevasi titik antara 1 s/d 3 GSD

• Dapat ditingkatkan dengan menggunakan kamera resolusi lebih tinggi dan menurunkan tinggi terbang wahana

Nilai

tambah

• Efisien dan murah untuk luas area sedang

• Selain DSM, dihasilkan pula ortofoto mosaik detil tinggi yang ter-georeferensi

Terima kasih