Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4
120
III.5 Metode Ground Penetrating Radar (GPR)
5.1.Pendahuluan
Ground Penetrating Radar (umumnya disebut GPR) adalah teknik
elektromagnetik resolusi tinggi. GPR merupakan metode yang valuable
digunakan untuk keperluan scientist, penelitian, keteknikan. Aplikasi GPR dapat
dipakai untuk studi kontaminasi air bawah tanah, geoteknik, sedimentologi,
glasiologi, dan arkeologi.
GPR sendiri sudah diterima baik di disiplin ilmu teknik geofisika. Metode
GPR menggunakan gelombang radio untuk membuktikan gambaran bawah
permukaan, yaitu dengan mendeteksi material dari sisi dielektriknya. Ketika
gelombang menyentuh suatu material dengan konstanta dielektrik yang berbeda-
beda, maka akan dipantulkan dan terekam oleh receiver.
GPR menggunakan radar untuk menggambarkan bawah permukaan
dengan gelombang berfrekuensi antara 1 - 1000 MHz. Metode ini dapat
memperlihatkan kondisi bawah permukaan pada kedalaman yang relatif dangkal
yaitu sekitar 1-15 m, tergantung frekuensi yang digunakan. Namun perlu diingat
semakin tinggi frekuensi semakin tinggi resolusinya namun semakin dangkal
penetrasi kedalamannya. Hal ini disebabkan oleh energi elektromagnetik yang
lebih cepat hilang menjadi panas.
Metode ini merupakan metode aktif, mirip dengan metode seismik refleksi
karena menggunakan gelombang elektromagnetik dan memanfaatkan sifat
radiasinya yang memperlihatkan refleksi. Metode georadar memiliki beberapa
macam sistem radar yang telah tersedia, tiap sistem memiliki nilai frekuensi
tertentu seperti 12.5, 25, 50, 100, 200, hingga 1000 MHz. Sebaiknya
pengukuran GPR ini dilakukan pada daerah yang relatif homogen karena GPR
sangat sensitif dengan variasi yang ada. Keunggulan yang dimiliki metoda ini
antara lain keakuratan dalam mendeteksi struktur bawah permukaan seperti
fracture pada bangunan atau pondasi, menentukan bidang perlapisan batuan
lapuk dan kompak, muka air tanah yang dangkal, atau bahkan dapat
Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4
121
memperlihatkan benda-benda kecil pada kedalaman dangkal seperti kabel, pipa,
dan gua (cave), bahkan ranjau-ranjau bekas perang. Selain itu, metode ini dapat
juga menunjukkan lokasi air tanah, anomali bahan tambang, hingga fosil-fosil
purbakala.
Pada metode ini, dikenal tiga jenis pengukuran, yaitu refleksi atau CRP
(Continuous Reflection Profiling), velocity sounding atau CMP (Common Mid
Point) bertujuan untuk memperkirakan kecepatan versus kedalaman,
Transiluminasi (GPR tomografi).
5.2.Teori Dasar
GPR menggunakan prinsip gelombang elektromagnetik hamburan untuk
menemukan benda di bawah permukaan, yaitu dengan persamaan Maxwell.
Transmitter membangkitkan pulsa gelombang EM pada frekuensi tertentu.
Antena receiver menerima pulsa pulsa yang tidak terserap oleh bumi tetapi
dipantulkan dalam domain waktu tertentu. Receiver telah diatur untuk
melakukan scan ditampilkan pada layar monitor (real time) sebagai fungsi waktu
two way travel time, yaitu waktu yang dibutuhkan gelombang EM menjalar dari
transmitter- target- receiver.
Persamaan Maxwell
Metode GPR didasarkan pada prinsip persamaan maxwell yang merupakan
perumusan matematis untuk hukum hukum alam yang mendasari semua
fenomena elektromagnet. Persamaan maxwell untuk media isotropik heterogen
dirumuskan sebagai berikut :
Jt
DxH
t
BxE
0 B
E
dengan hubungan
Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4
122
D = 0 rE E , B = 0 rH H , EJ
Dimana :
E = Kuat Medan Listrik (V/m)
H =Kuat Medan Magnet (A/m)
J = Rapat arus Listrik (A/m2)
D = perpindahan elektrik ( As/m2 )
B = Induksi Magnet ( Vs/m2)
Q = rapat muatan (As/m3)
Konduktivitas
Tahanan Jenis
= permisivitas medium (Farad/m)
0 r
0 = permisivitas di ruang vacuum = 8.885 x 10-12 ( Farad/m)
r = permisivitas relatif medium
μ = permeabilitas magnet medium
μr = permeabilitas magnet relatif medium,
μ0 = permeabilitas magnet dalam ruang vakum = 4π x 10-7 ( Henry/m)
Besaran yang menggambarkan penjalaran gelombang elektromagnet di
dalam medium, yaitu kecepatan fasa v dan koefisien atenuasi α atau jangkauan /
skin depth τ ( kedalaman dimana sinyal telah berkurang 1/e ( ca.37 %) dari nilai
awal), yaitu :
2
0
1 12r r
r
cv
2
0
1 12r r
rc
1
Untuk materi dengan loss factor rendah P 0 :
Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4
123
0.3m
r r
cv
(5.1)
Hubungan antara konstanta relatif dielektrik dan porositas adalah :
1 m w (5.2)
Koefisien Refleksi
Koefisien refleksi (R) didefinisikan sebagai perbandingan energi yang
dipantulkan dengan yang datang, nilainya (R) bergantung pada konstanta
dialetrik relatif ε lapisan 1 dan lapisan 2, adalah ukuran kapasitas dari sebuah
material dalam hal ini melewatkan muatan saat medan elektromagnetik
melewatinya.
2 1
2 1
2 1
2 1
v vR
v v
(5.3)
Secara teknisnya saat pengukuran di lapangan, hasil praktis dari radiasi
gelombang elektromagnetik ke bawah permukaan untuk pengukuran GPR
ditunjukkan dengan prinsip operasi dasar yang diilustrasikan pada Gambar
III.5.1 Gelombang elektromagnetik terpancar dari antena pemancar, bergerak
melalui material dengan kecepatan yang ditentukan terutama oleh permitivitas
material. Gelombang menyebar keluar dan perjalanan ke bawah hingga
menabrak objek yang berbeda sifat kelistrikannya dari medium sekitarnya,
tersebar dari obyek, dan kemudian terdeteksi oleh antena penerima
Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4
124
Gambar III.5.1 jejak sinyal dari transmitter menbrak material di bawah pemukaan. A
adalah direct airwave, G adalah adalah direct ground wave, dan R adalah gelombang refleksi, dan
C adalah gelombang refraksi. (Jol, 2009)
Pada semua kasus, besar nilai R terletak antara -1 dan 1, bagian dari
energi yang ditransmisikan sama dengan 1-R. Persamaan diatas diaplikasikan
untuk keadaan normal pada permukaan bidang datar. Dengan asumsi tidak ada
sinyal yang hilang sehubungan dengan amplitudo sinyal.
Jejak yang terdapat pada rekaman georadar merupakan konvolusi dari
koefisien refleksi dan impulse georadar ditunjukkan oleh persamaan :
)t(n)t(F)t(r)t(A (5.4)
dengan:
r(t) = koefisien refleksi
A(t) = amplitudo rekaman georadar
F(t) = impulse radar
n(t) = noise radar
Tabel III.5.1 Konstanta elektromagnetik
Material K A
Udara 1 0 0.3 0
Air murni 80 0.01 0.33 2.10-1
Air laut 80 3.104 0.01 0.1
Pasir kering 4 0.01 0.15 0.01
Pasir basah 25 0.1-1 0.06 0.03
Limestone 6 0.5-2 0.12 0.04
Lempung padat 5-
35 0.05 0.06 1-300
Granit 5 0.1-1 0.13 0.01
Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4
125
Rock salt 6 0.1-1 0.13 0.01
Slate 5-
15 0.03 0.09 1-100
Resolusi
Ketika dua gelombang muncul, spasi waktu mereka akan sangat dekat dan
bagaimana cara memisahkan satu dengan yang lain? Jika dua pulsa gelombang
berada pada satu watu maka akan menghasilkan amplitude yang besar. Dengan
mengkaraketrisasi sebuah pulsa dengan lebar amplitude setengahnya, W,
Pemisahan dilakukan dengan membagi pulsa dengan lebar setengahnya. Konsep
pemisahan pulsa dibagi dua
a) Resolusi radial
(5.5)
Keterangan:
= Resolusi Radial
W = lebar amplitude
V= kecepatan
b) Resolusi Lateral
√
(5.6)
Keterangan:
= resolusi lateral
W= lebar pulsa
v = kecepatan
r = jarak target
Pada GPR, lebar pulsa, W, mempunyai hubungan berbanding terbalik
dengan Bandwidth, B, yang mempunyai hubungan berbanding lurus dengan
frekuensi tengah, fc , maka dapat dinyatakan dengan
Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4
126
(5.7)
Dan besar frekuensi tengah
(5.8)
Ket:
λc = panjang gelombang dari fc
Maka resolusi lateral dapat ditulis
√
(5.9)
Resolusi lateral erat kaitannya dengan Hukum Fresnel, yaitu berhubungan
dengan sinyal sinusoidal dimana resolusi lateral adalah radius dari fc
Hamburan Atenuasi
Gelombang Elektromagnetik akan mengalammi atenuasi dengan
hamburan atenuasi yang dinyatakan sebagai keofisien atenuasi,αs (Annan, 2005).
Energi elektromagnetik akan menurun sesuai kedalaman dapat , dinyatakan
(5.10)
Keterangan:
E = Energi magnetic
E0 = Energi magnetic awal
αs = koefisien atenuasi
r = kedalaman
dan kefisien atenuasi adalah
(5.11)
Keterangan :
N = Jumlah unit
A= hamburan atenuasi
Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4
127
Gambar III.5.2 kurva antara waktu dan kedalaman yang menggambarkan Atenuasi
5.3.Akuisisi Data
Pengambilan data dilakukan pada 30 Mei - 3 Juni 2010 pada enam line
yang sama dengan metoda geolistrik dan seismik refraksi, yaitu pada daerah
Desa Jati Bungkus, Karang Sambung; Kebumen. Pada kali ini, kami melakukan
survey dengan metode Continous Reflecting Profiling (CRP). Prinsip kerja metoda
ini adalah menarik alat GPR sepanjang lintasan yang relatif lurus dengan jarak
transmitter dan receiver yang sama karena dalam kasus ini alat kami didesain
sebagai shielded atau tertutup dan posisinya tetap.
Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4
128
Parameter pada pengukuran GPR secara CRP, antara lain:
a) Frekuensi tengah antenna
b) Time Window
c) Sampling Interval
d) Jarak pergeseran pengukuran
e) Jarak antar antenna
f) Arah Antena
Gambar III.5.3 Ilustrasi skema pengukuran GPR secara CRP (Jol, 2009)
Alat – alat yang digunakan adalah sebagai berikut :
Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4
129
1. RAMAC X3M/ MALA shielded
Alat ini mengoperasikan antena yang berperan sebagai transmitter dan
receiver. Selain itu, alat ini juga dihubungkan dengan peralatan elektronik
(Ethernet) seperti laptop sebagai monitor di lapangan.
Gambar III.5.4 RAMAC X3M/ MALA shielded
Spesifikasi Teknis:
Power supply: 12V baterai Li-ion pack
Waktu operasi: 10h> dengan baterai standar
Temperatur operasional : -20 ° hingga 50 ° C / 0 ° sampai 120 ° F
Lingkungan: IP67
Dimensi: 310 x 180 x 30 mm / 12,2 x 7 x 1,2 di
Berat: 1.7 kg / £ 3,7
Komunikasi berkecepatan tinggi (Ethernet) dengan XV Monitor / notebook
PC
Auto Stacking untuk kualitas data kecepatan tertinggi dan kinerja optimal
Antena: The X3M sepenuhnya didukung berbagai tipe frekuensi shielded
antenna (100, 250, 500 & 800 MHz).
2. Antenna
Antena berperan sebagai transmitter dan receiver yang berfungsi
membangkitkan dan mengirimkan gelombang elektrmagnetik dan setelah
gelombang terkirim melalui medium bawah tanah lalu terpantulkan, gelombang
tersebut diterima kembali. Pada observasi ini, antena yang digunakan adalah
antena shielded dengan frekuensi 250 MHz. Antena shielded 250 MHz adalah
antena yang umum digunakan, umumnya digunakan untuk investigasi yang
membutuhkan kedalaman penetrasi dan resolusi menengah.
Dimensi: 0,74 x 0,44 x 0,16 m - Berat: 7,85 kg
Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4
130
Gambar III.5.5 RAMAC X3M/ MALA shielded
3. Dua buah Connector cable
Kabel ini Berfungsi sebagai medium sinyal Gelombang Elektromagnetik
dari transmiter dan receiver ke unit kontrol (laptop) dan juga untuk
menyambungkan unit ke power supply (accumulator).
4. Notebook
Notebook ataupun laptop digunakan untuk mengoperasikan ataupun
mengatur data akuisisi. Selanjutnya pengolahan data dapat dilakukan di sini
pula.
5. GPS
GPS digunakan untuk menentukan posisi serta elevasi tempat
pengambilan data.
Gambar III.5.6 Global Positioning System (GPS)
Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4
131
6. Alat ukur panjang
Alat ini digunakan untuk menentukan panjang spasi tiap pengukuran. Pada
survey ini kali ini kita menggunakan benang untuk membantu pengukuran spasi,
tiap 5 meter.
Gambar III.5.7 Akuisisi Data GPR
5.4.Pengolahan Data
Data hasil akuisisi dismpan dalam bentuk .rd3, yang selanjutnya akan
diolah dalam program ReflexW, sehingga hasil akuisisi dapat diinterpretasikan
gambaran bawah permukaannya. Tampilan menubar pada ReflexW
Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4
132
Berikut adalah flowchart dari pengolahan data GPR dengan ReflexW
Gambar III.5.8 Flowchart prosessing data GPR dengan ReflexW
Start
(Input rawdata)
(input rawdata)
Dewow
Static Correction
Gain
Background Removal
Bandpass Frequency
3D Topography Correction
F-K Filter
Finish
(Output)
(output)
Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4
133
Berikut adalah langkah-langkah pengolahan data GPR:
Membuat Project
Membuat folder penyimpanan hasil tiap langkah dalam menubar Project
Gambar III.5.9 Menu Project
Mengimport Rawdata
Mengimport rawdata format rd.3 yang akan diolah pada menubar Modules
Gambar III.5.10 Mengimport rawdata dengan format rd.3
Buat project baru di
folder tertentu
Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4
134
Gambar III.5.11 Parameter Data
Lalu akan keluar rawdata yang akan diproses
Gambar III.5.12 penampang rawdata
Parameter
yang
penampang
yang akan
tersisi sendiri
setelah
memasukan
rawdata
Jenis spesisfikasi
nama file
nama file
Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4
135
Proses Dewow
Pada menu pilih processing – 1D Filter – kemudian pilih substract mean
(dewow). Proses Dewow berfungsi untuk menghilangkan komponen VLF (Very
Low Frequency). Pada area pengukuran yang dekat dengan transmitter kan
mengandung, energi dengan frekuensi rendah yang berasosiasi dengan area
induktif dan elekstrotatik. VLF ini sering menghasilkan komponen variasi waktu
yang melambat dan terekam pada data. Energi ini menyebabkan naik atau
turunnya frekuensi pada level base yang terekam oleh sinyal (noise). Efek ini
dikenal sebagai baseline "wow" pada pembacaan GPR. Sinyal wow dapat ditekan
dengan mengaplikasikan high-loss temporal filter pada sinyal yang terdeteksi,
proses ini dikenal sebagai dewow. Karena proses Dewow merupakan langkah
processing pertama maka tandai Processing Label dengan angka nol (0).
Gambar III.5.13 Window 1-D Filter
Substract-mean
(dewow)
Namakan
Processing Label
Gambaran trace
ke-2 sebagai salah
satu contoh unutk
dihilangkan
frekuensi
rendahnya
Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4
136
Maka setelah diproses hasilnya menjadi seperti di bawah ini
Gambar III.5.14 Penampang setelah dilakukan proses Dewow
Proses Static Correction
Pada menu pilih processing – static correction/muting – static correction.
Proses Static Correction dilakukan agar letak data terdapat pada
ketinggian yang seharusnya, yaitu menempatkan To (z=0) di permulaaan sinyal
sehingga first arrival berada di To(z=0), kita dapat mempergunakan
wigglewindow untuk memperbaiki first arrival untuk ditempatkan di To yang
seharusnya.
Gambar III.5.15 Window Static Correction
Hasil pick dari
penampang hasil
Dewow wiggle
Window
Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4
137
Gambar III.5.16 Wiggle Window pada menubar view
Maka hasil yang akan keluar setelah proses Static Correction
Gambar III.5.17 Penampang setelah proses Static Correction
Proses Gain
Pilih menu processing – gain – manual gain (y) . Proses Gain dilakukan
untuk memperkuat sinyal yang melemah akibat atenuasi. Oleh karena itu, kita
memplot bagian trace yang ingin diperbesar energinya dengan bentuk logaritma
natural, sesuai dengan persamaan.
pick pada Wiggle
Window
Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4
138
Gambar III.5.18 Window pick Manual Gain -Y
Gambar III.5.19 Window Manual Gain-Y
Pick nilai Gain
yang akan
diperkuat secara
manual
berbentuk
logaritma natural
Nilai hasil pick yang ditabelkan
Sebelum (energi yang melemah akibat atenuasi) Sesudah ( proses Gain berguna untuk memperbesar energi)
Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4
139
Maka hasil dari proses Gain adalah di bawah ini
Gambar III.5.20 penampang setelah proses Gain
Proses Background Removal
Pilih menubar 2D-Filter-Background Removal. Proses Background Removal
berguna untuk menghilangkan gangguan arah mendatar
Gambar III.5.21 Window 2D filter processing-background removal
Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4
140
maka hasil dari proses Background Removal adalah
Gambar III.5.22 Penampang setelah proses Background Removal
Proses Bandpassfrequency
Pilih menubar 1D-Filter – Bandpassfrequency. Proses Bandpass frequency
adalah pengaturan toleransi frekuensi yang digunakan. Nilai di bawah lower
cutoff adalah batas nilai frekuensi rendah yang tidak dipakai, nilai antara lower
cutoff dan lower plateu adalah nilai frekuensi yang diperlemah, nilai antara lower
plateu samapi upper plateu adlah frekuensi yang digunakan, nilai antara upper
plateu sampai upper cutoff adalah nilai frekuensi yang diperlemah, sedangkan
nilai frekuensi di atas upper plateu tidak digunakan.
Gambar III.5.23 Window 1D-Filter- bandpassfrequency
Pick nilai
cutoff dan
plateau
Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4
141
Maka hasil dari proses bandpassfrequency
Gambar III.5.24 Penampang setelah proses bandpassfrequency
Proses Correct 3D Topography
Proses Correct Topography adalah memasukan data topografi dengan
format jarak melintang (x), tebal (y), dan nilai elevasi (z).
Gambar III.5.25 Window memilih file topografi dengan format (top*.*)
Nama file
berbentuk
top*.*
Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4
142
Gambar III.5.26 Format penulisan data topografi pada file dengan format .txt
Gambar III.5.27 Window Correct 3D topography
Lebar (y)
Jarak (x)
Elevasi (z)
Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4
143
Maka hasil penampangnya adalah
Gambar III.5.28 penampang setelah proses correct 3D- Topography dilakukan
Proses F-K filter
Pilih processing – fk filter/fk spectrum – generate. Setelah digenerate, pilih
zona spectrum dengan mengklik zona yang akan digunakan. Filter ini digunakan
untuk membatasi zona spectrum yang digunakan.
Gambar III.5.29 Window FK-Filter
Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4
144
Pilih zona spectrum pada daerah bagian tengah
Gambar III.5.30 Window Zona Spektrum
Nilai spectrum akan tercantum di tabel secara otomatis
Gambar III.5.31 Window table FK-Filter
Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4
145
Maka hasil akhir dari prosesnya adalah
Gambar III.5.32 Penampang setelah Proses FK-Filter
5.5.Pemodelan dan Interpretasi
Line1
Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4
146
Pada jarak 0-80 meter dapat dilihat topografi yang cendung naik
memperlihatkan nilai kontras warna yang besar pada kedalaman 5 meter.
Kontras warna yang besar menandakan amplitude tinggi yang biasanya
merupakan cirri dari lapisan batuan yang kompak. Pada jarak 100-124 meter
topografi menurun curam lalu naik lagi hingga jarak 150 meter, pada ketebalan
kira-kira 1 meter pertama memperlihatkan kontras warna yang besar, namun
makin ke dalam kontras warna makin kecil. Kontras warna kecil menandakan
lapisan batuan yang lapuk atau nilai amplitudenya kecil.
Line 2
Pada kedalaman 2-4 meter pada jarak lintasan 0-80 meter
memperlihatkan kontras warna yang besar menandakan amplitude besar yaitu
penciri lapisan batuan yang cukup kompak. Dan pada kedalaman 2.5-5.5 meter.
Pada penampang jarak antara 80-150 meter memperlihatkan kontras warna
yang rendah mencirikan lapisan batuan yang lapuk.
Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4
147
Line 3
Secara keseluruhan line 3 memperlihatkan kontras warna yang kecil yaitu
memiliki amplitude kecil sepanjang lintasan. Pada line 3 memiliki topografi yang
cenderung naik ini mengandung lapisan batuan yang lapuk
Line 4 terbagi dua pengukuran, disebabkan lingkungan yang tidak
memungkinkan untuk dilakukan akuisisi, yaitu menyebrangi sungai.
Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4
148
Line4a
Pada line 4a area pengukuran didominasi dengan kontras warna kecil,
namun pada beberapa kedalaman kontras warna agak besar . Pada line 4a ini
lapisan didominasi dengan lapisan batuan lapuk
Line 4b
Pada kedalaman 0.5 meter memperlihatkan kontras warna yang besar,
yang menandakan lapisan batuan yang kompak, dan semakin ke dalam kontras
warna makin kecil yang menandakan lapisan batuan yang lapuk.
Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4
149
Line 5
Pada penampang dengan jarak 0-20 meter memperlihatkan kontras warna
yang kecil yaitu penciri lapisan batuan lapuk, pada 20-26 meter lapisan kontras
warna besar, yaitu penciri batuan kompak. Pada jarak 26-50 meter kontras
warna kecil, yaitu penciri lapisan batuan lapuk, sedangkan pada 50-90 meter
Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4
150
hasil data tidak terlihat jelas ditandai dengan ketidakkonsistenan kontras warna.
Pada 90-150 meter kontras warna cukup besar, yaitu mencirikan batuan
kompak.
LineE
Pada Line E, kedalaman 0-4 meter memperlihatkan kontras warna yang
cukup besar yaitu mencirikan lapisan batuan yang kompak, sedangkan pada
kedalamanl 4-5 meter , kontras warna kecil, yaitu penciri lapisan batuan lapuk.