Geodesi Fisis

PRINCIPLES OF AIRBORNE GRAVITY SURVEY

Program Pascasarjana Teknik Geomatika Fakultas Teknik

Universitas Gadjah Mada (UGM) Yogyakarta

Anindya Sricandra Prasidya

Dany Puguh Laksono

2

PRINSIP-PRINSIP AIRBORNE GRAVITY SURVEY

Anindya Sricandra P, Dany Laksono

I. Pengertian

Airborne gravimetry adalah alat untuk memetakan gayaberat local memakai kombinasi sensor

yang dipasang pada airborne, wahana pesawat dan system penentuan posisi. Sistem ini cocok

untuk pengukuran gravity pada terrain yang sulit dan area yang terdiri dari air dan tanah (rawa).

(Hwang et. al., 2006). Prinsip dari pengukuran gayaberat dengan wahana pesawat dapat

dirumuskan sebagai berikut (Hwang, et. al. 2007):

Dimana:

z adalah tinggi terbang pesawat diatas permukaan laut,

gz adalah nilai gayaberat pada z,

fz adalah pembacaan gravimeter pada z,

fb adalah pembacaan gravimeter saat sebelum terbang di bandara yang disebut sebagai bacaan

acuan (base reading),

adalah akselerasi vertical pesawat (positif ke arah zenith),

we adalah kecepatan rotasi bumi (7,292115 x 10-5

rad.s-1

),

adalah bujur,

RN, RM adalah radius kelengkungan sepanjang vertical utama (prime vertical) dan meridian,

(secara praktis dapat digantikan dengan radius rerata bumi 6371 km)

ve, vn adalah komponen east dan north dari kecepatan, dan

go adalah nilai gayaberat acuan saat di bandara.

Dari persamaan di atas, pengamatan gaya berat fb dan fz diperoleh dari tegangan pegas, faktor

kelajuan pengungkit dan koreksi cross-coupling yang merupakan bagian dasar dari gravimeter

3

udara (airborne gravimeter). Notasi terakhir pada rumus (1) adalah koreksi untuk Eotvos effect,

yaitu pengaruh perubahan gaya berat yang terjadi pada objek yang bergerak relative terhadap

permukaan bumi. Koreksi ini diberikan dengan memperhitungkan ketinggian terbang wahana

terhadap permukaan bumi serta model bumi yang digunakan (Harlan, 1986).

Dari persamaan (1) di atas juga dapat diketahui bahwa komponen-komponen z, , ve, vn, dan

merupakan komponen yang diperoleh dari pengamatan GPS dan IMU. Dengan demikian, dapat

disimpulkan bahwa ketelitian pengamatan gaya berat dengan menggunakan wahana udara

(airborne) sangat dipengaruhi oleh ketelitian pengamatan GPS kinematic dan ketelitian bacaan

IMU yang digunakan (Hwang et.al. 2007). Dengan adanya GPS, adalah mungkin untuk

menentukan posisi pesawat sampai akurasi tingkat centimeter. Dengan sebuah teknis numeric

(perhitungan), kecepatan dan akselerasi dapat diperoleh dari posisi dengan akurasi tinggi. Akan

tetapi, adanya turbulensi pada pesawat yang tiba-tiba mengubah posisi pesawat sering terjadi

dan akselerasi vertical mungkin melampaui nilai gayaberat itu sendiri (9,8 ms-2

), sehingga dalam

pengamatan gaya berat Airborne hanya penerbangan yang halus saja, nilai gaya beratnya bisa

dipakai. Dengan demikian, baik gravimeter, GPS dan parameter gerakan pesawat (IMU)

merupakan 3 bagian penting pada airborne gravity.

Gambar 1 : Konsep Penentuan Gaya Berat Menggunakan Wahana Airborne

II. Karakteristik

Karakterisitik survey gayaberat metode airborne gravity ini antara lain:

4

a. Sensor (alat) pengukur gaya berat diletakkan pada wahana terbang

b. Wahana terbang bisa berupa pesawat dengan awak atau tanpa awak

c. Sistem penentuan posisi pesawatnya dengan GNSS realtime kinematic

d. Instrumen pengukur gayaberat adalah gravimeter khusus wahana udara seperti

LaCosta&Romberg type AirSystem III (zero-length spring)

e. Pada airborne gravity pesawat dilengkapi dengan sensor pencatat sikap (attitude) pesawat

yakni dengan IMU (Inertial Moment Unit)

f. Pengukuran gayaberat bisa memiliki luasan area yang cukup dengan waktu pengukuran

yang cukup singkat

g. Survei dilakukan dengan sebelumnya direncanakan jalur terbang pesawat dan sebisa

mungkin membentuk loop (titik awal dan akhir sama)

h. Ketinggian pesawat menjadi faktor kunci dalam kesensitifan sensor gravimeter dalam

mengakuisisi data gayaberat

i. Diperlukan inisialisasi awal untuk GPS agar mendapatkan posisi yang teliti saat terbang

j. Integrasi waktu antar sensor menjadi kunci utama dalam airborne gravity survey

III. Strategi Survey

Sebagaimana semua survey, pengukuran gaya berat dengan menggunakan wahana pesawat

(airborne) juga memerlukan strategi survey yang matang agar diperoleh data ukuran yang teliti

sebelum survey tersebut dimulai. Dalam hal pengukuran airborne gravity, beberapa strategi yang

perlu dipertimbangkan antara lain adalah persiapan yang baik, strategi perolehan data yang

berkualitas, strategi pengolahan data, visualisasi hingga aplikasi dari data airborne gravity

tersebut. Berikut adalah penjelasannya.

a. Persiapan

Untuk memperoleh data airborne gravity yang teliti, diperlukan persiapan yang matang

sebelum memulai survey gaya berat. Berikut adalah beberapa poin yang perlu dilakukan

pada saat persiapan survey gaya berat menggunakan wahana pesawat (Bell, et. al., 2009

dan Geospace, 2010):

1) Kalibrasi alat. Sebagaiman alat gravimeter yang digunakan untuk melakukan

pengukuran di permukaan bumi, pada airborne gravimeter juga harus dilakukan

pengecekan alat secara berkala. Kalibrasi alat diperlukan untuk memastikan hasil

ukuran yang diperoleh dari alat tersebut dapat digunakan untuk menghasilkan

ketelitian yang tinggi

5

2) Penentuan jalur terbang. Cakupan area yang akan dipetakan menentukan jalur

terbang yang akan dilalui oleh pesawat. Dalam hal penentuan jalur terbang untuk

gaya berat dengan wahana pesawat, beberapa hal berikut harus diperhatikan:

a. Dipastikan bahwa jalur terbang yang akan dilalui merupakan jalur dimana

pesawat diizinkan terbang. Demikian pula, ketinggian terbang pesawat

berada pada batas yang diizinkan, disesuaikan dengan ketinggian yang

diperlukan untuk mendapatkan data gaya berat yang teliti.

b. Tidak terdapat halangan pada saat terbang (clearance), seperti adanya bukit

atau gunung. Perbedaan ketinggian wahana yang diakibatkan oleh naik-

turunnya pesawat sangat berpengaruh pada ketelitian ukuran gaya berat

yang dilakukan, sehingga diusahakan pesawat tidak melakukan gerakan

yang terlalu ekstrim.

c. Panjang jalur terbang sesuai dengan kapasitas bahan bakar pesawat,

termasuk jarak yang harus ditempuh ke bandara terdekat

d. Antara jalur terbang yang dibuat, ketinggian terbang, cakupan pemetaan

dan jarak antar jalur harus direncanakan sedetail mungkin untuk

memastikan adanya pertampalan antar jalur yang diperlukan pada saat

pengolahan data (cross-track analysis)

Gambar 2: Contoh Desain Jalur Terbang Pengukuran Airborne Gravity

6

3) Mencari informasi mengenai cuaca serta arah dan kecepatan angin. Sebelum

pengukuran dilakukan, informasi mengenai cuaca dan arah angina juga harus

diketahui untuk menghindari hal-hal yang tidak diinginkan.

4) Penentuan lokasi titik ikat GPS. Untuk mendapatkan hasil yang maksimal, titik

ikat yang digunakan untuk menentukan posisi pesawat dengan metode GPS

kinematik juga harus didesain sedemikian rupa sehingga dapat diperoleh hasil

ukuran yang baik.

5) Penentuan ketelitian minimal GPS. Sebagaimana dijelaskan pada persamaan (1),

ketelitian GPS merupakan salah satu faktor yang paling berpengaruh dalam ukuran

gaya berat (Difrancesco, 2007). Apabila komponen gaya berat dihilangkan dari

persamaan (1), maka ketelitian minimum GPS yang diperlukan pada saat survey

gaya berat dengan wahana pesawat dapat ditentukan.

Tabel 1: Ketelitian GPS yang diperlukan pada airborne gravimeter

b. Akuisisi data

Selain persiapan yang matang, pada saat pengukuran gaya berat juga ada beberapa faktor

yang harus diperhatikan untuk memperoleh hasil yang berkualitas. Diantaranya adalah

sebagai berikut (Zuidweg and Mumaw, 2006):

1) Penggunaan wahana pesawat. Jenis pesawat yang digunakan berpengaruh

terhadap hasil ukuran gaya berat. Penggunaan pesawat bermesin tunggal, misalnya,

dapat mengurangi goncangan dibandingkan dengan pesawat bermesin ganda

2) Ketinggian terbang. Dimulai dari ketinggian 80 meter di atas permukaan tanah,

yaitu ketinggian minimal untuk terbang

7

3) Kecepatan ideal. Kecepatan ideal pesawat adalah 70 m/s. Penggunaan pesawat

yang lebih lambat dapat meningkatkan ketelitian. Namun hal ini kurang efisien.

4) Jarak antar jalur. Berkisar pada 50 m 2000 m tergantung hasil yang diinginkan

c. Precise Data Processing

Pemrosesan data pada airborne gravimeter terdiri dari lima tahap utama (Zuidweg and

Mumaw, 2006):

1) Tahap pertama, disebut dengan High-rate processing. Pada tahap ini pengaruh

gaya-gaya luar seperti gaya sentripetal dihilangkanTahap kedua adalah

pembentukan komponen tensor dan penghilangan efek terrain (terrain effect)

2) Tahap ketiga adalah cross analysis, yaitu analisis antar jalur ukuran untuk

menghilangkan outlier dan kesalahan pengukuran kasar menggunaan persamaan

Laplace. Masukan yang digunakan adalah data GPS dan IMU pesawat.

3) Tahap keempat adalah perataan data dengan menggunakan perataan jaring untuk

menghilangkan kesalahan sistematis

4) Tahap kelima disebut dengan Full Tensor Processing, menghilangkan sisa

kesalahan yang ada pada data.

Gambar 3: Diagram Alir Pemrosesan Data Gaya Berat (Geospace, 2010)

8

d. Good Visualization

Setelah data selesai diproses, data gaya berat yang dihasilkan dapat ditampilkan

dengan berbagai macam bentuk. Berikut adalah beberapa jenis visualisasi hasil ukuran

gaya berat:

- Grafik (Lane, 2004)

- Gradasi warna (Forsberg, et. al., 2007)

- Hillshaded map (Lane, 2004)

9

- Peta kontur (Forsberg, et. al., 2007)

- Peta tiga dimensi (Witherly& Diorio, 2007)

Jenis visualisasi yang digunakan tergantung pada tujuan pengukuran serta target

pembaca peta, sehingga peta dapat lebih mudah dipahami.

e. Multipurpose Application

Aplikasi pengukuran gaya berat dengan menggunakan wahana pesawat sangat

beragam, diantaranya adalah untuk pencarian mineral di bawah permukaan bumi,

pembuatan model geoid, untuk koreksi data SRTM, keperluan arkeologi, dan

seterusnya. Beberapa contoh disebutkan sebagai berikut:

10

Tabel 2: Hubungan antara anomaly gaya berat dengan jenis mineral yang dicari

Tabel di atas menyebutkan hubungan antara jenis mineral tertentu (Kimberlit) dengan

anomaly gaya berat yang dihasilkan pada pengukuran airborne gravimeter.

Gambar 4 : Airborne Gravitymeter untuk Penentuan Saluran Purbakala (Zuidweg and Mumaw, 2006)

11

Gambar di atas merupakan visualisasi untuk prediksi saluran purbakala yang diperoleh

dengan menggunakan airborne gravimeter

IV. Referensi

Bell, R.E., Childers, V. A., Arko, R. A., Blankenship, D. D., Brozena, J. M. 1999. Airborne

Gravity and Precise Positioning for Geologic Application. Journal of Geophysics Research,

Vol. 104, No B7, P 15, 281-15, 292. Amerika Serikat

Difrancessco, D. 2007. Advances and Challenges in the Development and Deployment of

Gravity Gradiometer Systems. EGM 2007 International Workshop Innovation in EM, Grav

and Mag Methods:a new Perspective for Exploration. Capri, Italy, April 15 18, 2007

Forsberg, Rene., Olsen, A., Munkhtsetseg, D., Amarzaya, A. 2007. Downward continuation and

geoid determination in Mongolia from airborne and surface gravimetry and SRTM

topography. Ulanbataar, Mongolia

Geospace, Bell. Inc., 2010. Final Report: Processing and Acquisition of Air-FTG Data and

Airborne Magnetics. Bell Geospace Inc., Houston, Texas

Harlan, R. B. 1968. Eotvos corrections for airborne gravimetry. J. Geophys. Res., 73(14),4675

4679, doi:10.1029/JB073i014p04675.

Hwang, C., Y.-S. Hsiao, H.-C. Shih, M. Yang, K.-H. Chen, R. Forsberg, and A. V. Olesen .

2007. Geodetic and geophysical results from a Taiwan airborne gravity survey: Data

reduction and accuracy assessment. J. Geophys. Res., 112, B04407,

doi:10.1029/2005JB004220.

Hwang,C. Hsiao, Y., Shih C.H., 2006, Data reduction in scalar airborne gravimetry :Theory,

software and case study. Elsevier Journal of Computers & Geoscience.

Lane, R.J.L., editor, 2004, Airborne Gravity 2004 Abstracts from the ASEG-PESA Airborne

Gravity 2004 Workshop. Geoscience Australia Record 2004/18.

Witherly, Ken., Diorio, Peter. 2007. Assessment of Falcon Airborne Gravity Gradiometer Data

from the Athabasca Basin, Saskatchewan Canada. Condor Consulting, Inc. Kanada

Zuidweg, K., and Mumaw, G.R. 2006. Airborne Gravity Gradiometry for Exploration

Geophysics The First 5 Years. Bell Geospace Ltd., Aberdeen, UK