Seri Tutorial #1

Koreksi Radiometrik Landsat 8

Oleh:

Nurul Ihsan Fawzi

Program Studi Kartografi dan Penginderaan Jauh, Universitas Gadjah Mada

I. Landsat 8

Landsat 8 merupakan kelanjutan dari misi Landsat yang untuk pertama kali menjadi satelit pengamat

bumi sejak 1972 (Landsat 1). Landsat 8 atau Landsat Data Continuity Mission (LDCM), mulai

menyediakan produk citra open access sejak tanggal 30 Mei 2013. NASA lalu menyerahkan satelit LDCM

kepada USGS sebagai pengguna data terhitung 30 Mei tersebut. Pengelolaan arsip data citra masih

ditangani oleh Earth Resources Observation and Science (EROS) Center. Landsat 8 hanya memerlukan

waktu 99 menit untuk mengorbit bumi dan melakukan liputan pada area yang sama setiap 16 hari sekali.

Resolusi temporal ini tidak berbeda dengan Landsat versi sebelumnya.

Satelit Landsat 8 memiliki sensor Onboard Operational Land Imager (OLI) dan Thermal Infrared Sensor (TIRS) dengan jumlah band sebanyak 11 buah. Diantara band-band tersebut, 9 band (band 1-9) berada

pada OLI dan 2 lainnya (band 10 dan 11) pada TIRS.

Ada beberapa spesifikasi baru yang terpasang pada band Landsat ini khususnya pada band 1, 9, 10, dan

11. Band 1 (ultra blue) dapat menangkap panjang gelombang elektromagnetik lebih rendah dari pada

band yang sama pada Landsat 7, sehingga lebih sensitif terhadap perbedaan reflektan air laut atau

aerosol. Band ini unggul dalam membedakan konsentrasi aerosol di atmosfer dan mengidentifikasi

karakteristik tampilan air laut pada kedalaman berbeda. Deteksi terhadap awan cirrus juga lebih baik

dengan dipasangnya band 9 pada sensor OLI, sedangkan band termal (band 10 dan 11) sangat

bermanfaat untuk mendeteksi perbedaan suhu permukaan bumi dengan resolusi spasial 100 m.

II. Apa itu koreksi radiometrik?

Koreksi radiometrik ditujukan untuk memperbaiki nilai piksel agar sesuai dengan yang seharusnya yang

biasanya mempertimbangkan faktor gangguan atmosfer sebagai sumber kesalahan utama (Soenarmo,

2009), dan juga untuk menghilangkan atau meminimalisir kesalahan radiometrik akibat aspek eksternal

berupa gangguan atmosfer pada saat proses perekaman. Biasanya gangguan atmosfer ini dapat berupa

serapan, hamburan, dan pantulan yang menyebabkan nilai piksel pada citra hasil perekaman tidak sesuai

dengan nilai piksel obyek sebenarnya di lapangan. Kesalahan radiometrik pada citra dapat

menyebabkan kesalahan interpretasi terutama jika interpretasi dilakukan secara digital yang

mendasarkan pada nilai piksel. Koreksi radiometrik ini sangat penting untuk dilakukan agar hasil yang

diperoleh sesuai dengan yang diinginkan (Chander, et al., 2007).

III. Tahapan Koreksi Radiometrik Landsat 8

Produk standar Landsat 8 yang di download dari USGS (http://glovis.usgs.gov/), merupakan produk citra

dengan format .TIFF yang telah di konversi atau di skalakan dalam bentuk Digital Number (DN, atau

nilai piksel). Nilai piksel dengan format 16-bit unsigned integer dapat di konversikan kembali dalam

bentuk energi yang diterima oleh sensor (bentuk energi sebelum di ubah menjadi nilai piksel).

Produk Landsat 8 dapat di koreksi menjadi Top Of Atmosphere (TOA) reflectance atau radiance dengan

rescalling nilai piksel ke dalam nilai satuan energi radiasi yang diterima oleh sensor. Nilai yang

digunakan terdapat pada metadata citra yang di download (file .MTL). dapat di katakan, untuk

melakukan koreksi radiometrik pada Landsat 8, harus membaca metadata dari citra yang akan di koreksi.

Apa perbedaan radiance dan reflectance (nilai radian spektral dan nilai reflektan)?

Mengacu Reeves, et al. (1975), nilai radian spektral didefinisikan sebagai fluks radian per unit pada

sudut tertentu yang di radiasikan oleh suatu objek ke arah tertentu. Secara lebih jelas dapat

dijelaskan pada gambar (2).

Gambar 1. Konsep dari energi radian (Reeves, et al., 1975).

Berikut adalah tahapan perekaman dari energi dari bumi hingga terekam pada sensor.

Gambar 2. Tahapan energi pada perekaman pada citra penginderaan jauh.

Sedangkan nilai reflektan merupakan rasio energi yang dipantulkan dengan total energi yang

mengenai suatu permukaan per unit area (Reeves, et al., 1975). Ekspresi lain yang mendekati maksud

ini agar mudah di mengerti adalah albedo.

Gambar 3. Reflektansi dari vegetasi, tanah, dan air.

Jadi, nilai keduanya merupakan dua jenis terminologi yang berbeda. Seringkali, dalam proses

pengolahan citra digital seperti indeks, transformasi, dan lain lain; menggunakan nilai reflektan.

Sedangkan menurut penulis, energi radian ini dapat dikonversi menjadi nilai suhu permukaan. Oleh

sebab itu dibedakan menjadi nilai radian spektral dan nilai reflektan. Pada Landsat 8 ini, koreksi

keduanya dipisahkan secara persamaan. Ini mengacu pada penelitian Flynn, et al. (2001) yang

menjelaskan tentang saturasi sensor, atau kemampuan maksimal sensor mendeteksi suhu. ini

mengacu pada hukum Wien. Flynn, et al. (2001) menganalisis gunungapi Etna dengan Landsat

ETM+, yang menunjukkan bahwa lava dengan suhu yang tinggi dapat di deteksi menggunakan band

4 yang peka terhadap suhu 595 – 926 derajat Celsius, sedangkan pada band 6 termal, hanya peka

pada suhu -33 sampai 51 derajat Celsius.

Itulah yang menyebabkan pada energi radian spektral memiliki satuan W/(m2 .sr.μm), dan reflektan

tanpa satuan. Serta perbedaan penggunaan kedua jenis koreksi untuk aplikasinya.

Gambar 4. Energi (yang direpresentasikan oleh suhu energi radian spektral) pada masing-masing panjang

gelombang.

Berikut adalah koreksi radiometrik yang diperoleh dari USGS (2013).

1. Konversi Nilai Piksel ke Nilai Radian Spektral (TOA Radiance)

Persamaan berikut merupakan persamaan dasar yang digunakan untuk melakukan konversi nilai

piksel menjadi nilai radian spektral (Chander, et al., 2007; Chander, et al., 2009).

𝐋𝛌 = (Lmax− Lmin

QCALmax− QCALmin) x (Qcal − QCALmin) + Lmin

Di mana:

Lλ= radian spektral pada sensor (W/(m2 .sr.μm), Qcal= nilai piksel (DN),

Qcalmin= nilai minimum piksel yang mengacu pada LMINλ (DN),

Qcalmax= nilai miksimum piksel yang mengacu pada LMAXλ (DN),

LMIN = nilai minimal radian spektral (W/(m2 .sr.μm), dan

LMAX = nilai maksimal radian spektral (W/(m2 .sr.μm) .

Nilai masing-masing parameter tersebut, dapat diperoleh di metadata. Berikut contoh

metadata pada Landsat 8 perekaman tanggal 24 Juni 2013, path/row 120/65, waktu perekaman

02:50:03 (waktu perekaman yang ditulis pada metadata adalah GMT, sedangkan lokasi citra

adalah GMT +7, sehingga citra direkam pada pukul 09:50:03 WIB).

GROUP = L1_METADATA_FILE

GROUP = METADATA_FILE_INFO

ORIGIN = "Image courtesy of the U.S. Geological Survey"

REQUEST_ID = "0101402054038_00001"

LANDSAT_SCENE_ID = "LC81200652013175LGN00"

FILE_DATE = 2014-02-06T22:17:56Z

STATION_ID = "LGN"

PROCESSING_SOFTWARE_VERSION = "LPGS_2.3.0"

END_GROUP = METADATA_FILE_INFO

GROUP = MIN_MAX_RADIANCE

RADIANCE_MAXIMUM_BAND_1 = 735.77271

RADIANCE_MINIMUM_BAND_1 = -60.76035

. . .

END_GROUP = MIN_MAX_RADIANCE

GROUP = MIN_MAX_PIXEL_VALUE

QUANTIZE_CAL_MAX_BAND_1 = 65535

QUANTIZE_CAL_MIN_BAND_1 = 1

. . .

END_GROUP = MIN_MAX_PIXEL_VALUE

Sehingga, jika menggunakan persamaan diatas, koreksi band 1 dapat ditulis:

(735.77271+60.76035/65535-1) + (Qcal – 1) + (-60.76035)

USGS (2013) menggunakan cara lain untuk memperoleh nilai radian spektral ini. Initinya

dengan rescalling nilai piksel menggunakan nilai scalling yang tertera pada metadata.

Persamaan yang digunakan:

Lλ = MLQcal + AL

Di mana:

Lλ= radian spektral pada sensor (W/(m2 .sr.μm), Qcal= nilai piksel (DN), ML = konstanta rescalling (RADIANCE_MULT_BAND_x, di mana x adalah band yang digunakan) AL = konstanta penambah (RADIANCE_ADD_BAND_x, di mana x adalah band yang digunakan)

Nilai masing-masing konstanta dapat diperoleh pada metadata citra.

GROUP = RADIOMETRIC_RESCALING

RADIANCE_MULT_BAND_1 = 1.2155E-02

RADIANCE_MULT_BAND_2 = 1.2446E-02

. . .

RADIANCE_ADD_BAND_1 = -60.77251

RADIANCE_ADD_BAND_2 = -62.23179

END_GROUP = RADIOMETRIC_RESCALING

Sehingga, untuk memperoleh nilai radian pada band 1, digunakan ENVI sebagai software

pemrosesannya, maka persamaan yang ditulis pada band math adalah sebagai berikut.

0.012155 * B1 + (-60.77251)

Gambar 5. Hasil pengolahan menggunakan ENVI.

…

RADIANCE_MINIMUM_BAND_1 = -60.76035

RADIANCE_MAXIMUM_BAND_1 = 735.77271

…

Dari hasil menunjukkan bahwa hasil koreksi radian berada pada rentang yang benar, dengan

artian tidak melewati batas minimal dan maksimal dari nilai yang diperoleh dari metadata.

2. Konversi Nilai Piksel ke Nilai Reflektan (TOA reflectance)

Untuk band termal, level koreksi hanya pada konversi menjadi nilai radian spektral, hal tersebut

dikarekan band termal bukanlah band pantulan, tetapi pancaran energi inframerah termal.

Untuk band tampak, perlu dilakukan koreksi lanjutan yaitu koreksi atmosfer yang berguna

menurunkan variabilitas antar scene citra.

Pada Landsat 7, proses koreksi dilakukan dengan merubah nilai piksel menjadi nilai radian

(radiasi dari objek ke sensor) dan merubah lagi menjadi reflektansi (rasio antara radian dan

irradian antara radiasi objek ke matahari dan radiasi matahari ke objek). Persamaan konversi

diperlihatkan pada persamaan dibawah ini.

𝛒𝛌 = π .Lλ .d

2

ESUNλ .cos θs

Di mana 𝜌𝜆 merupakan nilai reflektan (tanpa unit), 𝜋 adalah konstanta matematika (~3,14159),

d adalah jarak matahari – bumi (unit astronomi), 𝐸𝑆𝑈𝑁𝜆 adalah rerata exoatmospheric iradiansi

matahari (W/m2.sr.μm), dan 𝜃𝑠 adalah sudut zenith matahari (derajat). Nilai-nilai yang

dibutuhkan dalam persamaan didapatkan pada penelitian Chander, et al. (2009).

Akan tetapi, koreksi pada landsat 8 tidak menggunakan nilai radian spektral (Lλ ), nilai yang

digunakan adalah rescalling nilai piksel (Qcal). Pada Landsat 8, koreksi reflektan didapatkan

dengan persamaan (USGS, 2013):

ρλ' = MρQcal + Aρ

Di mana:

ρλ' = hasil pengolahan sebelumnya, tanpa koreksi sudut pengambilan. ρλ' tidak memuat

koreksi untuk sudut matahari Qcal= nilai piksel (DN), MP = konstanta rescalling (REFLECTANCE_MULT_BAND_x, di mana x adalah band yang digunakan) AP = konstanta penambah (REFLECTANCE_ADD_BAND_x, di mana x adalah band yang digunakan)

GROUP = RADIOMETRIC_RESCALING

REFLECTANCE_MULT_BAND_1 = 2.0000E-05

REFLECTANCE_MULT_BAND_2 = 2.0000E-05

. . .

REFLECTANCE_ADD_BAND_1 = -0.100000

REFLECTANCE_ADD_BAND_2 = -0.100000

END_GROUP = RADIOMETRIC_RESCALING

Sehingga, untuk memperoleh nilai radian pada band 1, digunakan ENVI sebagai software

pemrosesannya, maka persamaan yang ditulis pada band math adalah sebagai berikut.

0.00002 * B1 + (-0.10000)

GROUP = MIN_MAX_REFLECTANCE REFLECTANCE_MAXIMUM_BAND_1 = 1.210700

REFLECTANCE_MINIMUM_BAND_1 = -0.099980

END_GROUP = MIN_MAX_REFLECTANCE

Hasil pengolahan ini (ρλ'), nilai min dan maks tergantung pada nilai yang tertera pada

metadata. Untuk mendapatkan nilai reflektan, maka harus di koreksi sudut matahari

(pengaruh dari sudut matahari disajikan pada gambar dibawah ini). Sehingga, koreksi

reflektan dapat dihasilkan pada persamaan dibawah ini. Nilainya dapat bervariasi tergantung

sudut matahari pada saat perekaman.

𝜌𝜆 = 𝝆𝝀′

cos(𝜃𝑠𝑧)=

𝝆𝝀′

sin(𝜃𝑠𝑒)

Di mana:

ρλ' = TOA planetary reflectance (tanpa unit),

θSE = Sudut elevasi matahari ketika perekaman (sun elevation)

SUN_AZIMUTH = 41.05932415

SUN_ELEVATION = 48.92714932

EARTH_SUN_DISTANCE = 1.0163724

θSZ = Sudut zenith; θSZ = 90° - θSE

Sehingga, pada ENVI persamaan tersebut dapat ditulis:

B1/cos(48.92714932)

Akan tetapi, ada baiknya jika nilai cos (θSE) dihitung pada kalkulator, sehingga hasilnya

B1/ 0.657018099744

Supaya mempersingkat waktu pengolahan, maka persamaan dapat ditulis dengan:

(0.00002 * B1 + (-0.10000))/ 0.657018099744

*dengan B1 adalah citra Qcal dengan nilai piksel (DN)

Gambar 6. Pengaruh sudut pengambilan dan sudut matahari pada energi yang diterima oleh sensor (Reeves, et al., 1975)

IV. Konversi menjadi Brightness Temperature

Konversi menjadi nilai Brightness Temperature, menggunakan nilai 𝐿𝜆 atau nilai radian spektral. Seperti

yang telah dijelaskan diatas, nilai suhu merupakan nilai pancaran inframerah termal, bukan nilai

pantulan. Jadi koreksinya hanya koreksi radian sepektral saja. Nilai Brightness Temperature bukan nilai

suhu permukaan yang langsung dapat digunakan untuk analisis, tetapi hanyalah suhu radian. Suhu

radian merupakan suhu yang terekam pada sensor. Untuk mendapatkan suhu yang mendekati objek

permukaan bumi atau suhu kinetik, maka beberapa koreksi harus dilakukan. Untuk mendapatkan hasil

estimasi suhu permukaan dengan kualitas yang baik, maka dibutuhkan 4 langkah proses koreksi, yaitu

(Weng, et al., 2004; Voogt & Oke, 2003):

1. Konversi nilai piksel ke nilai Lλ;

2. Koreksi absorbsi dan re-emisi yang terjadi di atmosfer;

3. Koreksi emisivitas permukaan; dan

4. Koreksi kekasaran permukaan.

Pada tutorial ini, hanya konversi nilai 𝐿𝜆 menjadi nilai Brightness Temperature, dengan persamaan:

T = K2

ln(K1

𝐿𝜆+ 1)

Di mana:

T = suhu radian dalam satuan Kelvin (K), 𝐿𝜆= nilai radian spektral,

K1 = Konstanta Kalibrasi radian spektral (W/(m2 .sr.μm), diperoleh pada metadata untuk band 10 atau 11. K2 = Konstanta kalibrasi suhu absolut (K), diperoleh pada metadata untuk band 10 atau 11.

GROUP = TIRS_THERMAL_CONSTANTS

K1_CONSTANT_BAND_10 = 774.89

K1_CONSTANT_BAND_11 = 480.89

K2_CONSTANT_BAND_10 = 1321.08

K2_CONSTANT_BAND_11 = 1201.14

END_GROUP = TIRS_THERMAL_CONSTANTS

V. Kesimpulan

Sampai di disini penjelasan menganai koreksi landsat 8. Persamaan sumber koreksi berasal dari USGS (2013). Di sini belum dipertimbangkan atau diacu koreksi berdasarkan penelitian yang telah di publikasikan. Beberapa tambahan mengenai penjelasan terminologi, didapatkan dari beberapa sumber.

Jika terdapat pertanyaan, atau ada kesalahan dalam isi dan sumber, mohon koreksi dan sarannya. Pertanyaan dan kritik dapat disampaikan pada email: nurul.ihsan.f@mail.ugm.ac.id atau ichan_fawzi@yahoo.com.

Semoga dapat bermanfaat.

VI. Referensi

Chander, G., L, B. & Barsi, J. A., 2007. Revised Landsat-5 Thematic Mapper Radiometric Calibration. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 4(3), pp. 490-494.

Chander, G., Markham, B. L. & Helder, D. L., 2009. Summary of current radiometric calibration coefficients for Landsat MSS, TM, ETM+, and EO-1 ALI sensors. Remote Sensing of Environment, Volume 113, pp. 893-903.

Flynn, L. P., Harris, A. J. & Wright, R., 2001. Improved identification of volcanic features using Landsat 7 ETM+. Remote Sensing of Environment, Volume 78, pp. 180-193.

Kim, H. M., Kim, B. K. & You, K. S., 2005. A Statistic Correlation Analysis Algorithm Between Land Surface A Statistic Correlation Analysis Algorithm Between Land Surface. International Journal of Information Processing Systems, 1(1), pp. 102-106.

Reeves, R. G., Anson, A. & Landen, D., 1975. Manual of Remote Sensing. First Edition ed. Virginia: American Society of Photogrammetry.

Soenarmo, S. H., 2009. Penginderaan Jauh dan Pengenalan Sistem Informasi Geografis untuk Bidang Ilmu Kebumian. Bandung: Penerbit ITB Bandung.

USGS, 2013. Using the USGS Landsat 8 Product. [Online] Available at: http://landsat.usgs.gov/Landsat8_Using_Product.php [Accessed 31 Mei 2014].

Voogt, J. & Oke, T., 2003. Thermal remote sensing of urban climates. Remote Sensing of the Environment, Volume 86, p. 370–84.

Weng, Q., Lu, D. & Schubring, J., 2004. Estimation of Land Surface Temperature - Vegetation Abuncance Relationship for Urban Heat Island. Remote Sensing for Environment, Volume 89, pp. 467-483.