IDENTIFIKASI DEFORMASI PERMUKAAN GEMPA BUMI TURKI 24 JANUARI
2020 DENGAN TEKNIK INTERFEROMETRIC SYNTHETIC APERTURE RADAR
(INSAR)
Hidayat Panuntun1*, Anindya Sricandra Prasidya2
1,2Teknologi Survei dan Pemetaan Dasar, Sekolah Vokasi,
Universitas Gadjah Mada
*E-mail: [email protected]
ABSTRAK
Identifikasi deformasi permukaan yang disebabkan oleh gempa
dangkal (<15 km dari permukaan bumi) sangat penting untuk
menentukan lokasi patahan aktif penyebab gempa tersebut. Deformasi
permukaan yang disebabkan oleh gempa dangkal biasanya mempunyai
cakupan wilayah yang luas. Deformasi tersebut bisa diamati dengan
menggunakan berbagai metode. Salah satu metode yang populer
digunakan adalah metode survei terestris. Karena luasnya cakupan
wilayah terdampak, pengamatan berbasis survei terestris tidak
efisien untuk digunakan. Pengamatan dengan metode berbasis satelit
menjadi alternatif solusi, yaitu dengan memanfaatkan Teknik
Differential Interferometric SAR (Synthetic Aperture Radar).
Penelitian ini menggunakan Citra satelit Sentinel-1 yang disediakan
oleh European Space Agency (ESA) untuk mengindentifikasi deformasi
permukaan gempa bumi dangkal yang terjadi di Turki pada tanggal 24
Januari 2020.
Citra Sentinel-1 dengan mode polarisasi VV dan VH diproses
dengan menggunakan bantuan perangkat lunak berbasis UNIX, GMTSAR.
Tahapan pengolahan yang dilakukan antara lain adalah pembentukan
interferogram yang diperoleh dari penggabungan dari minimal dua
citra satelit dari dua epok yang berbeda, filtering dan unwrapping
dengan menggunakan algoritma SNAPHU untuk mendapatkan deformasi
permukaan dengan satuan metrik.
Hasil pengolahan menunjukkan bahwa deformasi permukaan yang
disebabkan oleh gempa Turki bisa teridentifikasi dengan baik
menggunakan Teknik InSAR. Hasil pengolahan menunjukkan bahwa gempa
dangkal tersebut menyebabkan terjadinya deformasi permukaan dengan
besar nilai yang berkisar antara 182.9 mm ~ 340.3 mm relatif
terhadap garis pandang satelit (Line of Sight). Daerah yang
terletak pada radius ~20 km di sekitar epicenter gempa bumi
cenderung mengalami kenaikan (uplift), sedangkan daerah yang
terletak di daerah selatan lebih dari 25 km dari epicenter gempa
bumi cenderung mengalami penurunan (subsidence).
Kata kunci: Sentinel-1, gempa Turki 2020, deformasi permukaan,
Interferometric SAR
ABSTRACT (Times new roman 11, Bold, Italic, Capital, Centre
text)
Since the earthquake causes deformation in broadscale area,
identification of surface deformations due to an earthquake cannot
be carried out conventionally using terrestrial surveys.
Alternatively, satellite-based observation offers efficient way to
map the surface deformation due to an earthquake. The deformation
map then can be used as a tool for post-disaster assessment as part
of disaster management systems.
Here, the 24 January 2020 Turkey earthquake was investigated
using Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar
(InSAR). A pair of InSAR data was formed using two Sentinel-1
Single Look Complex (SLC) images. The surface deformation then was
mapped using converted interferograms through filtering, phase
unwrapping and geocoding processes. GMTSAR, an open-source
UNIX-based code, was used to process all image data.
The results showed that surface deformation due to the 2020
Turkey earthquake is well-mapped by InSAR images. In this case, the
most heavily affected area due to this earthquake is easily
identified. Coseismic deformation signal is clearly imaged up to a
radius of ~20 km from the earthquake epicenter. The result shows an
uplift pattern in the vicinity of the epicenter area. The Line of
Sight (LOS) displacement are observed from 182.9 mm (subsidence) to
340.3 mm (uplift).
Keywords: Sentinel-1, Turkey Earthquake, Interferometric SAR,
coseismic deformation
PENDAHULUAN
Gempa bumi adalah salah satu dari jenis bencana alam yang
dianggap paling merusak diantara bencana alam lainnya. Secara
bahasa, definisi dari gempa bumi adalah suatu peristiwa alam berupa
getaran atau gerakan gelombang pada permukaan bumi yang disebabkan
oleh pelepasan tenaga secara tiba-tiba dari bawah permukaan bumi.
Energi yang menyebabkan terjadinya gempa bumi tersebut dilepaskan
melalui patahan atau sesar aktif.
Gempa bumi biasanya menyebabkan perubahan bentuk/posisi pada
permukaan bumi (deformasi). Berdasarkan waktu kejadiannya,
deformasi dapat dikelompokkan menjadi tiga yaitu deformasi setelah
(postseismic), sesaat (coseismic), dan sebelum (interseismic) gempa
bumi (Panuntun et al. 2018). Perubahan atau deformasi tersebut
dapat diamati dengan menggunakan metode pengamatan teliti berbasis
GNSS (Global Navigation Satellite Systems). Pengamatan dengan
metode ini bisa mendapatkan posisi titik koordinat dengan tingkat
ketelitian yang tinggi sehingga sangat baik digunakan untuk
mendeteksi ketiga jenis deformasi gempa bumi.
Mitigasi gempa bumi yang baik pada saat sebelum dan setelah
kejadian menjadi kunci untuk meminimalisir jatuhnya korban jiwa.
Peta menjadi salah satu instrumen yang penting untuk mendukung
proses mitigasi setelah kejadian (Markogiannaki et al. 2020). Peta
tersebut digunakan untuk identifikasi deformasi sesaat setelah
terjadinya gempa bumi sehingga dapat diketahui tingkat kerusakan
untuk masing-masing area terdampak. Karena daerah terdampak bencana
gempa bumi mempunyai cakupan yang luas, pengamatan menggunakan GNSS
menjadi tidak efisien. Hal ini disebabkan karena informasi posisi
yang dihasilkan dari pengamatan GNSS hanya terbatas di titik
pengamat saja. Pengamatan dengan teknik pengindraan jauh berbasis
satelit radar (Satellite-based Synthetic Aperture Radar) menjadi
alternatif solusi. Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR)
adalah salah satu teknik dari teknologi remote sensing yang bisa
digunakan untuk mendeteksi deformasi permukaan yang disebabkan oleh
gempa bumi (Xu et al. 2020). Dengan menggunakan gelombang mikro,
teknik ini menggunakan prinsip perhitungan beda fase gelombang
untuk mendeteksi perubahan saat dan .
Pada penelitian ini, citra SAR digunakan untuk mendeteksi
deformasi permukaan yang disebabkan oleh gempa bumi yang terjadi
pada tanggal 24 Januari 2020 pukul 17:55:14 UTC di kota Elazig,
Turki bagian tengah (Gambar 1, setelah ini disebut dengan Gempa
Turki 2020). Tujuan utama dari penelitian ini adalah melihat
kemampuan citra SAR untuk mendeteksi deformasi dari gempa bumi dan
menginvestigasi luasan daerah terdampaknya. Gempa Turki 2020 telah
menyebabkan jatuhnya korban jiwa sebanyak 41 orang dan lebih dari
1600 orang terluka. Berdasarkan informasi dari USGS (United Stated
Geological Survey), epicenter gempa tersebut terletak di 38.390°
lintang utara dan 39.081° bujur timur. Oleh USGS, gempa bumi ini
terjadi karena pergerakan lempeng dengan mekanisme sesar geser yang
terletak dekat dengan pertemuan antara lempeng Arabia dan lempeng
Eurasia (lihat gambar 1).
Gambar 1. Lokasi gempa Turki 2020. Garis merah putus-putus
menunjukkan lokasi tumbukan antar lempeng benua di Negara Turki.
Bintang berwarna hijau menunjukkan lokasi gempa Turki 2020. Garis
hitam mengindikasikan batas antar negara.
METODE PENELITIAN
Data
Data yang digunakan pada penelitian ini adalah citra SAR yang
direkam oleh satelit Sentinel-1 dalam format single look complex
(SLC). Data tersebut diperoleh dari Copernicus Open Access Hub
(https://scihub.copernicus.eu/dhus/#/home). Untuk dapat mendeteksi
deformasi permukaan yang disebabkan oleh gempa bumi, dibutuhkan
minimal 2 citra SAR yang merekam target yang sama pada dua waktu
yang berbeda, yaitu sesudah dan sebelum terjadi gempa bumi. Citra
SAR pada saat sebelum gempa bumi disebut master dan saat setelah
gempa bumi disebut dengan slave. Pada penelitian ini data master
dan slave yang digunakan adalah data yang direkam pada tanggal 15
Januari 2020 (9 hari sebelum gempa terjadi) dan 27 Januari 2020 (3
hari setelah gempa terjadi). Deformasi permukaan yang disebabkan
karena gempa bumi bisa terdeteksi apabila terdapat perbedaan fase
master dan slave (Gambar 2). Data Sentinel-1 yang digunakan pada
penelitian ini dapat dilihat lebih rinci pada Tabel 1. Selain itu,
dibutuhkan juga data Digital Elevation Model (DEM) dari Shuttle
Radar Topography Mission (SRTM) dengan resolusi 1 arc second untuk
melakukan pemrosesan diferensial interforemetrinya.
Gambar 2. Ilustrasi perekaman citra SAR saat (a) sebelum gempa,
(b) setelah gempa, serta (c) geometri dari Line of Sight (arah
pandang) satelit. adalah sudut insiden (incident angle). Anak panah
hitam pada (a) dan (b) menunjukkan arah datang dan kembali sinyal
sensor satelit.
Pengolahan
Citra Sentinel-1 diolah menggunakan perangkat lunak open source
berbasis UNIX, GMTSAR (Sandwell et al. 2011). Secara umum, proses
pengolahan untuk menghasilkan interferogram dari sepasang citra
berformat SLC dengan GMTSAR dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 3. Diagram alir pengolahan data format SLC dengan
GMTSAR
Secara umum, proses pengolahan data dengan GMTSAR adalah sebagai
berikut ini:
a. Koregistarasi citra
Koregistrasi dibutuhkan untuk memastikan data yang terekam pada
citra SAR mempunyai koordinat yang sama. Pada tahap ini, piksel
pada citra slave diselaraskan (aligning) dengan piksel pada citra
master.
b. Pembentukan interferogram
Proses ini dilakukan setelah koregistrasi citra selesai
dilakukan. Pada tahap ini, citra master dikalikan silang dengan
citra slave untuk membentuk interferogram.
c. Differential InSAR processing
Tahapan yang dilakukan untuk mereduksi noise dan mengurangi efek
topografi dengan menggunakan data DEM. Pada penelitian ini, proses
filtering dilakukan dengan menggunakan metode advance goldstein
filter (Goldstein and Werner 1998).
d. Phase unwrapping
Pada tahapan ini, nilai beda fase dari citra master dan citra
slave diubah menjadi nilai deformasi. Proses perubahan tersebut
dilakukan dengan menggunakan algoritma SNAPHU (Chen and Zebker
2002). LOS displacement yang disebabkan karena gempa bisa dihitung
menggunakan persamaan berikut:
(1)
Dimana adalah beda fase unwrapped, adalah panjang gelombang
sensor satelit Sentinel-1 (0.056 m).
e. Geocoding
Tahapan ini dikerjakan untuk mengubah sistem koordinat pada
interferogram dari sistem koordinat radar menjadi sistem koordinat
georeferensi.
Tabel 1. Data citra Sentinel-1 yang digunakan dalam penelitian
ini
No
Tipe
Path
Tanggal Perekaman
Arah Orbit
Polarisasi
1
Master
116
15 Januari 2020
Ascending
vv
2
Slave
116
27 Januari 2020
Ascending
vv
Hasil dan pembahasan
Interferogram Koseismik
Teknik interferometri yang dieksekusi dengan GMTSAR dari dua
waktu pengamatan menghasilkan satu interferogram. Beda fase antara
citra master dan slave akan mengakibatkan munculnya fringe pada
interferogram yang dihasilkan. Semakin banyak garis fringe yang
terbentuk, mengindikasikan semakin besarnya deformasi permukaan
yang terjadi. Interferogram koseismik Gempa Turki 2020 yang diolah
dari satu pasang citra SAR Sentinel-1 ditunjukkan oleh gambar 4.
Dari Gambar 4 terlihat jelas bahwa Gempa Turki 2020 terekam dengan
sangat baik oleh citra tersebut. Rendahnya nilai korelasi di
beberapa lokasi pada citra master dan citra slave menyebabkan
munculnya pola fringe yang terlihat tidak sempurna (blur).
Rendahnya nilai korelasi biasanya disebabkan karena banyaknya
vegetasi pada area tersebut (Suresh and Yarrakula 2018). Selain
itu, tanah longsor dan proses likuifaksi tanah juga bisa
menyebabkan rendahnya nilai korelasi antara citra master dan slave
(Vaka et al. 2019).
Gambar 4. Interferogram dari Gempa Turki 2020 hasil pengolahan
dengan GMTSAR.
Proses unwrapping dilakukan untuk mendapat nilai deformasi
permukaan. Selain itu, nilai beda fase harus dirubah menjadi satuan
metrik dengan menggunakan rumus (1). Gambar 5 adalah hasil yang
diperoleh setelah melakukan proses unwrapping.
Line of Sight displacement
Pergeseran relatif terhadap arah pandang satelit atau Line of
Sight (LOS) displacement adalah pergeseran suatu objek di permukaan
bumi relatif terhadap arah pandang satelit (lihat Gambar 2c). Nilai
ini diperoleh setelah proses unwrapping dan konversi satuan pada
interferogram selesai dilakukan (Gambar 6). Dalam hal ini, komponen
deformasi yang didapatkan adalah komponen vertikal saja (deformasi
1-dimensi). Nilai positif menunjukkan objek permukaan bumi bergerak
mendekati sensor satelit (terjadi uplift), sedangkan nilai negatif
mengindikasikan objek tersebut bergerak menjauhi sensor satelit
(terjadi subsidence). Sebaran nilai deformasi akibat Gempa Turki
2020 ditunjukkan pada gambar 6. Gambar 5 dan 6 menunjukkan bahwa
Gempa Turki 2020 menyebabkan deformasi permukaan yang cukup
signifikan pada area seluas hampir ~2000 km2. Secara lebih
spesifik, dari gambar tersebut menunjukkan bahwa Gempa Turki 2020
menyebabkan terjadinya uplift di area seluas ~800 km2 di sekitar
epicenter. Area dengan luas 1120 km2 yang terletak dua puluh
kilometer sebelah selatan epicenter mengalami subsidence
(penurunan). Dengan teknik InSAR, diperoleh informasi bahwa nilai
deformasi permukaan akibat Gempa Turki 2020 berkisar antara ~340 mm
sampai ~183 mm terhadap Line of Sight. Gambar 6b menunjukkan lebih
detil penampang melintang dari LOS displacement.
Gambar 5. Interferogram (a) sebelum dan (b) sesudah proses phase
unwrapping.
Penentuan posisi dengan menggunakan citra SAR mempunyai
kerapatan titik yang jauh lebih tinggi dibandingkan pengukuran
dengan GNSS. Penentuan posisi dengan menggunakan kedua teknologi
tersebut bisa mendapatkan ketelitian hingga level centi-milimeter.
Akan tetapi, dengan luas daerah terdampak yang mencapai lebih dari
1000 km2, dibutuhkan banyak stasiun GNSS agar deformasi permukaan
bisa dipetakan dengan baik. Oleh karena itu, identifikasi deformasi
permukaan berbasis citra satelit jauh lebih efisien dan murah
dibandingkan dengan menggunakan teknologi GNSS.
Pola fringe pada interferogram mengindikasikan bahwa Gempa Turki
2020 kemungkinan dipicu karena adanya aktifitas sesar geser.
Beberapa contoh gempa bumi yang mempunyai pola fringe yang hampir
mirip dengan Gempa Turki 2020 adalah gempa Aketao tahun 2016 (He et
al. 2018), gempa Palu tahun 2019 (Socquet et al. 2019), dan gempa
Ridgecrest tahun 2019 (Ross et al. 2019). Pada kasus gempa bumi
dengan mekanisme sesar geser, diskontinuitas yang terdapat pada
interferogram bisa menjadi petunjuk lokasi sesar aktif yang
menyebabkan terjadinya gempa tersebut. Lokasi diskontinuitas pada
kasus Gempa Turki 2020 bisa dilihat pada Gambar 6a.
Gambar 6. Deformasi permukaan akibat Gempa Turki 2020. (a) Line
of Sight (LOS) displacement hasil pengolahan data interferogram
dengan mode orbit ascending. Bintang hitam menujukkan posisi
epicenter gempa. Panah menunjukkan lokasi discontinuity
displacement. Garis hitam putus-putus adalah sampel lokasi
penampang melintang dari deformasi permukaan akibat Gempa Turki
2020. (b) plot penampang melintang garis A-A’, B-B’, dan C-C’.
KESIMPULAN
Pada penelitian ini, citra Sentinel-1 digunakan untuk
menginvestigasi deformasi permukaan dan luasan terdampak akibat
gempa bumi yang terjadi di Negara Turki tahun 2020. Dengan
menggunakan teknik InSAR, deformasi permukaan yang disebabkan
karena Gempa Turki 2020 terekam dengan sangat jelas sehingga
persebaran spasial deformasi permukaan akibat gempa ini bisa
dikatahui. Dengan kata lain, teknik InSAR cukup efisien digunakan
untuk memetakan area terdampak akibat gempa bumi. Berdasarkan hasil
analisis yang telah dilakukan, Gempa Turki 2020 menyebabkan
terjadinya uplift (relatif terhadap arah pandang satelit) yang
mencapai ~0.34 m di area yang dekat dengan epicenter gempa, dan
subsidence (relatif terhadap arah pandang satelit) yang mencapai
~0.18 m di area yang terletak di sebelah selatan epicenter. Gempa
Turki 2020 menyebabkan deformasi permukaan yang cukup signifikan
pada area seluas hampir ~2000 km2. Nilai sebaran deformasi
permukaan selanjutnya akan digunakan untuk menghitung parameter
gempa tersebut melalui analisis inversi (naskah sedang
ditulis).
UCAPAN TERIMA KASIH
Semua gambar yang ditampilkan pada naskah ini dibuat menggunakan
GMT (Wessel et al. 2019). Penelitian ini didanai oleh skema
penelitian Dana Masyarakat Sekolah Vokasi UGM tahun 2020.
DAFTAR PUSTAKA
Chen CW, Zebker HA (2002) Phase unwrapping for large SAR
interferograms: statistical segmentation and generalized network
models. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 40
(8):1709-1719. doi:10.1109/TGRS.2002.802453
Goldstein RM, Werner CL (1998) Radar interferogram filtering for
geophysical applications. Geophysical Research Letters 25
(21):4035-4038. doi:10.1029/1998gl900033
He P, Ding K, Xu C (2018) The 2016 Mw 6.7 Aketao earthquake in
Muji range, northern Pamir: Rupture on a strike-slip fault
constrained by Sentinel-1 radar interferometry and GPS.
International Journal of Applied Earth Observation and
Geoinformation 73:99-106. doi:10.1016/j.jag.2018.06.001
Markogiannaki O, Karavias A, Bafi D, Angelou D, Parcharidis I
(2020) A geospatial intelligence application to support
post-disaster inspections based on local exposure information and
on co-seismic DInSAR results: the case of the Durres (Albania)
earthquake on November 26, 2019. Natural Hazards.
doi:10.1007/s11069-020-04120-7
Panuntun H, Miyazaki S, Fukuda Y, Orihara Y (2018) Probing the
Poisson's ratio of poroelastic rebound following the 2011 Mw 9.0
Tohoku earthquake. Geophysical Journal International 215
(3):2206-2221. doi:10.1093/gji/ggy403
Ross ZE, Idini B, Jia Z, Stephenson OL, Zhong M, Wang X, Zhan Z,
Simons M, Fielding EJ, Yun S-H, Hauksson E, Moore AW, Liu Z, Jung J
(2019) Hierarchical interlocked orthogonal faulting in the 2019
Ridgecrest earthquake sequence. Science 366 (6463):346.
doi:10.1126/science.aaz0109
Sandwell D, Mellors R, Tong X, Wei M, Wessel P (2011) Open radar
interferometry software for mapping surface Deformation. Eos,
Transactions American Geophysical Union 92 (28):234-234.
doi:10.1029/2011eo280002
Socquet A, Hollingsworth J, Pathier E, Bouchon M (2019) Evidence
of supershear during the 2018 magnitude 7.5 Palu earthquake from
space geodesy. Nature Geoscience 12 (3):192-199.
doi:10.1038/s41561-018-0296-0
Suresh D, Yarrakula K (2018) InSAR based deformation mapping of
earthquake using Sentinel 1A imagery. Geocarto International:1-10.
doi:10.1080/10106049.2018.1544289
Vaka DS, Rao YS, Bhattacharya A (2019) Surface displacements of
the 12 November 2017 Iran–Iraq earthquake derived using SAR
interferometry. Geocarto International:1-16.
doi:10.1080/10106049.2019.1618927
Wessel P, Luis JF, Uieda L, Scharroo R, Wobbe F, Smith WHF, Tian
D (2019) The Generic Mapping Tools Version 6. Geochemistry,
Geophysics, Geosystems 20 (11):5556-5564.
doi:10.1029/2019GC008515
Xu X, Sandwell DT, Smith‐Konter B (2020) Coseismic Displacements
and Surface Fractures from Sentinel‐1 InSAR: 2019 Ridgecrest
Earthquakes. Seismological Research Letters 91 (4):1979-1985.
doi:10.1785/0220190275
2
