Penginderaan Jauh : Teori dan Hukum Fisika dalam Penginderaan Jauh

Pengertian

Penginderaan jauh adalah ilmu dan seni untuk memperoleh informasi tentang objek, daerah atau gejala dengan jalan menganalisis data yang diperoleh dengan menggunakan alat tanpa kontak langsung terhadap objek, daerah atau gejala yang dikaji. (Lillesand dan Kiefer, 1979).

Penginderaan jauh yaitu berbagai teknik yang dikembangkan untuk memperoleh dan analisis tentang bumi. Informasi tersebut khusus berbentuk radiasi elektromagnetik yang dipantulkan atau dipancarkan dari permukaan bumi. (Lindgren, 1985). 

Citra foto

Teori dan Hukum Fisika dalam Penginderaan Jauh

Pembahasan tentang penginderaan jauh dan interpretasi citra tidak terlepas dari pembahasan fisika penginderaan jauh. Hal ini diperlukan untuk memahami penginderaan jauh dan interpretasi citra. 

Pembahasannya meliputi; 1) tenaga untuk penginderaan jauh, 2) tenaga elektromagnetik, 3) spectrum elektromagnetik untuk penginderaan jauh, 4) beberapa formula/rumus penting.

Pada pembahasan ini, kita akan membahas teori dan hukum fisika yang mendasari penginderaan jauh. Teori dan hukum yang disajikan antara lain;

1. Teori gelombang
2. Teori kuantum
3. Hukum Plank
4. Hukum Stefan-Boltzmann
5. Hukum Wien

Penjelasannya:

1. Teori Gelombang

Radiasi elektromagnetik merupakan salah satu tenaga dinamik yang tampak bila ia berinteraksi dengan benda. Radiasi elektromagnetik dapat berbentuk gelombang maupun dalam bentuk partikel. Newton (1642 – 1727) mengutarakan bahwa sinar merupakan aliran butir-butir kecil yang dipancarkan oleh bahan yang bersinar. Huygens (1629 – 1695) melukiskan sinar sebagai suatu gerakan gelombang yang memancar dari suatu sumber ke segala arah. Young pada tahun 1982 mendemontrasikan kerjasama antara gelombang sinar dan mengemukakan asas superposisi. Asas superposisi menyatakan bahwa bila ada dua gelombang atau lebih yang saling menyilang, akan terbentuk paduan gelombang yang amplitudonya merupakan jumlah amplitudo masing-masing gelombang. Amplitudo yaitu jarak tegak antara lembah dan puncak satu gelombang.(Suits, 1983).

Pada tahun 1862, Maxwell mengemukakan teori gelombang elektromagnetik. Gerakan radiasi elektromagnetik mengikuti bentuk gelombang dengan gejala elektrik dan magnetic. Interaksinya terhadap benda sangat tergantung atas sifat elektrik dan sifat magnetic bendanya. Sifat elektrik dan sifat magnetic merupakan satu rangkaian sifat yang tak terpisahkan. Bila sifat elektriknya berubah maka sifat magnetiknya ikut berubah (Suits, 1983).

Selanjutnya Suits mengemukakan hubungan antara kecepatan radiasi elektromagnetik, panjang gelombang dalam frekuensinya dalam bentuk formula, yaitu:

Kecepatan radiasi elektromagnetik akan berubah bila melalui suatu benda. Kecepatannya bergantung atas sifat benda dan frekuensi gelombangnya. Karena frekuensi gelombang tidak berubah saat radiasi memasuki benda, panjang gelombang berubah karena kecepatannya berubah. Sebagai contoh spectrum tampak yang melalui kaca akan menyusut kecepatannya dengan angka penyusutan sebesar c/1,5. Akibatnya maka panjang gelombangnya akan menyusut sebesar c/1,5 pula. Faktor penyusutan 1,5 ini disebut indeks refraksi. 

Teori Maxwell menjelaskan banyak sehubungan dengan penyebaran, dispersi, pantulan, pembiasan dan paduan gelombang elektromagnetik. 

2. Teori Kuantum

Teori kuantum juga disebut teori partikel. Teori ini menyatakan bahwa spectrum elektromagnetik terdiri dari bagian-bagian kecil berkesinambungan yang disebut ‘photons’ atau ‘quanta’. 

Tenaga kuantum dapat dinyatakan dengan formula sebagai berikut:

Bila nilai v disubstitusikan berdasarkan formula kecepatan radiasi gelombang dengan tenaga kuantum, maka:

Berdasarkan formula di atas, mudah diketahui bahwa besarnya tenaga kuantum berbanding terbalik terhadap panjang gelombang. Semakin besar panjang gelombangnya, semakin kecil tenaga kuantumnya. Implikasinya dalam penginderaan jauh yaitu kalau digunakan gelombang mikro, penginderaannya lebih sulit bila dibandingkan penginderaan dengan spectrum inframerah, apalagi dengan spectrum tampak. 

Sehubungan dengan jendela atmosfer, maka tenaga kuantum terbesar terletak pada spectrum tampak. Pada spectrum ini dapat dikenali objek yang berukuran kecil  karena tenaga kuantumnya besar. Dengan kata lain, resolusi medan atau resolusi spasial pada spektrum tampak lebih halus.

3. Hukum Plank

Panas atau tenaga kinetic merupakan akibat gerakan partikel suatu benda secara acak. Gerakannya berhenti bila suhu bendanya sebesar 00 K atau – 2730 K yang sering disebut suhu nol derajat absolut. Bila menggunakan skala Kelvin, es mencair pada suhu 2730 K dan air mendidih pada suhu 3730 K. Tenaga kinetic ini diukur dengan termometer yang dipasang pada objeknya. Meskipun demikian tenaga yang dipancarkan dari objek dapat direkam dengan sensor yang dipasang jauh dari objeknya. Penginderaannya menggunakan spectrum inframerah termal.

Matahari merupakan sumber utama bagi tenaga yang digunakan dalam penginderaan jauh. Di samping matahari, semua objek di permukaan bumi yang suhunya di atas 00 K juga memancarkan tenaga yang dapat digunakan dalam penginderaan jauh. Jumlah tenaga yang dipancarkan dari tiap objek, oleh Plank dinyatakan dalam formula berikut:

Jumlah tenaga yang dipancarkan ini sama dengan yang diperhitungkan dengan formula Stefan-Boltzmann (Cracknell, 1981).

4. Hukum Stefan-Boltzmann

Hukum Stefan-Boltzmann mengutarakan bahwa jumlah tenaga yang dipancarkan oleh tiap benda antara lain merupakan fungsi suhu permukaan objenya. Jumlah tenaga yang dipancarkan ini dinyatakan dalam formula berikut:

Jumlah tenaga yang dipancarkan dari suatu benda berbanding lurus terhadap suhu absolut benda itu. Formula ini berlaku bagi benda hitam sempurna, yaitu benda yang menyerap seluruh tenaga yang mengenainya dan memancarkan kembali seluruh tenaga yang mengenai atau diterima itu (Cracknell,1981). Benda semacam ini sebenarnya tidak ada. Karena di ala mini tidak dijumpai benda hitam sempurna atau pemancar tenaga sempurna, tenaga yang dipancarkan oleh tiap benda tidak hanya bergantung pada suhu absolutnya, melainkan juga bergantung pada daya pancarnya. 

Paine (1981) mengemukakan bahwa daya pancar objek merupakan perbandingan relatif terhadap daya pancar benda hitam sempurna, yang dapat dinyatakan dengan formula berikut:

Dengan demikian mudah dimengerti bahwa formula 5 tidak berlaku bagi benda di alam ini. Formula ini hanya berlaku bagi benda sebagai penyerap sempurna dan pemancar sempurna yang sebenarnya tidak pernah ada. Bagi tiap benda berlaku modifikasi formula 5 yang telah dipadukan dengan formula 6, yaitu:

Dari formula di atas (7), dapat dipetik dua hal penting, yaitu:

1. Jumlah tenaga yang dipancarkan oleh suatu benda di permukaan bumi berbanding lurus terhadap pangkat empat suhu absolutnya. Semakin tinggi suhu objeknya, semakin besar tenaga yang dipancarkan olehnya. Dalam citra, objek yang banyak memancarkan tenaga tampak cerah, sedang yang memancarkan tenaga sedikit tampak gelap. Gelap terangnya gambaran pada citra sesuai dengan jumlah tenaga yang diterima dan direkam oleh sensor.

2. Gelap terangnya gambaran objek pada citra tidak selalu menunjukan suhu objeknya, karena daya pancar tiap objek tidak sama. Hal ini perlu diperhatikan benar dalam penginderaan jauh. Dua objek yang tampak dengan tingkat kegelapan yang sama pada citra belum tentu berupa objek yang sama. Dua objek yang suhu dan daya pancarnya berlainan dapat tampak dengan tingkat kegelapan yang sama.

5. Hukum Wien

Semakin tinggi suhu benda yang memancarkan tenaga, semakin besar pula tenaga kinetic yang dipancarkan olehnya. Hubungan antara pancaran maksimum, panjang gelombang dan suhu dinyatakan dalam hukum Wien (Lillesand dan Kiefer, 1979) yang disebut Hukum Pergeseran Wien dan dirumuskan dengan formula berikut:

Implikasi hukum Wien dalam penginderaan jauh jelas sekali. Pancaran matahari dengan suhu 60000 K mencapai radiasi maksimum pada panjang gelombang 0,5 μm. Oleh karena itu penginderaan jauh sistem pasif yang menggunakan matahari sebagai sumber tenaganya pada umumnya menggunakan spectrum tampak di sekitar panjang gelombang 0,5 μm dan perluasannya. Sebaliknya bagi permukaan bumi (tanah, vegetasi, air) yang suhu rata-ratanya 3000 K, pancaran maksimum tercapai pada panjang gelombang 9,7 μm. Oleh karena itu penginderaan jauh sistem pasif yang menggunakan permukaan bumi sebagai sumber tenaganya, pada umumnya menggunakan panjang gelombang sekitar 10 μm yakni spectrum inframerah thermal.

Baca juga : Pengertian dan Komponen Penginderaan Jauh

Sumber : Berbagai sumber dan refererensi yang relevan