ANALISIS DEKOMPOSISI SPEKTRAL DATA SEISMIK - USU-IR
advertisement
ANALISIS DEKOMPOSISI SPEKTRAL DATA SEISMIK DENGAN TRANFORMASI WAVELET KONTINU TESIS Oleh MARZUKI SINAMBELA 087034024/TE FAKULTAS TEKNIK UNIVERISTAS SUMATERA UTARA MEDAN 2011 Universitas Sumatera Utara ANALISIS DEKOMPOSISI SPEKTRAL DATA SEISMIK DENGAN TRANFORMASI WAVELET KONTINU TESIS Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik dalam Program Studi Magister Teknik Elektro pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Oleh MARZUKI SINAMBELA 087034024/TE FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2011 Universitas Sumatera Utara Telah Diuji pada Tanggal: 15 Agustus 2011 PANITIA PENGUJI TESIS Ketua : Prof. Dr. Ir. Usman Baafai Anggota : 1. Prof. Dr. Muhammad Zarlis 2. Ori Novanda, ST, MT 3. Dr. Benny B. Nasution, Dipl.Ing, M.Eng 4. Soeharwinto, ST, MT 5. Fahmi, ST, M.Sc Universitas Sumatera Utara ABSTRAK Data seismik, secara alami merupakan sinyal non stasioner yang mempunyai bermacam frekuensi dan dalam bentuk waktu. Sinyal non stasioner ini merupakan gelombang seismik yang ditimbulkan oleh gangguan elastis yang merambat dari suatu tempat ketempat lain dalam suatu medium, yaitu bumi. Karakteristik data seismik perlu diteliti dan dianalisa terhadap parameter gempa bumi tektonik yaitu penentuan waktu tiba gempa dan amplitudo gempa. Dalam penelitian ini penentuan waktu tiba dan amplitudo gempa dilakukan dengan penguraian sinyal berdasarkan frekuensi atau dekomposisi sinyal dengan transformasi wavelet kontinu. Metode ini menggambarkan bahwa waktu tiba gempa bumi ditentukan berdasarkan gelombang Primer (P) dan kekuatannya di tentukan berdasarkan amplitudo maksimumnya. Metode Transformasi Wavelet Kontinu merupakan metoda dekomposisi waktu-frekuensi (time-frequency decomposition) yang dikenal juga dengan dekomposisi spektral yang ditujukan untuk mengkarakterisasi respon seismik pada frekuensi tertentu, dan juga dapat digunakan untuk menapis data, menghilangkan sinyal-sinyal yang tidak diinginkan atau meningkatkan mutu kualitas data. Dalam hal ini data yang digunakan adalah data seismik nyata yaitu gempa tektonik daerah Tarutung tanggal 19 Mei 2008. Analisa sinyal seismik gempa Tarutung yang digunakan dalam penelitian ini wavelet Gauss 4, Mexh, Morlet dan Haar. Dari hasil analisa sinyal seismik dengan wavelet yang digunakan, jenis wavelet Mexh menunjukkan resolusi gambar yang lebih baik dari jenis wavelet Gauss 4, Morlet dan Haar. Skala yang dihasilkan pun lebih kecil, ini artinya wavelet dipendekkan dan frekuensinya tinggi Hasil analisa sinyal seismik dengan wavelet Mexh menunjukkan waktu tiba gelombang Primer (P) pada sensor GSI berkisar 1800 ms dan amplitudo maksimum terlokalisir pada 2000 ms, pada sensor SISI waktu tiba gelombang Primer (P) berkisar 3000 ms dan amplitudo maksimum terlokalisir sekitar 4500 ms, pada sensor PSI, waktu tiba gelombang Primer berkisar 3500 ms dan amplitudo maksimum terlokalisir sekitar 4500 ms. Kata-kata kunci : Data seismik, non stasioner, tranformasi wavelet kontinu, Gauss 4, Morlet, Haar, Mexh Universitas Sumatera Utara ABSTRACT Seismic data, is naturally a non-stationary signals that have different frequencies and in the form of time. Non-stationary signal is the seismic waves generated by elastic disturbances that propagate from one city to another, in a medium, namely the earth. Characteristics of seismic data needs to be researched and analyzed for parameters of tectonic earthquake which arrival time determination of earthquake and seismic amplitude. In this study the determination of arrival time and amplitude of the earthquake is done by parsing the signal based on the frequency or the signal decomposition with continuous wavelet transform. This method illustrates that the earthquake arrival time is determined based on Primary (P) wave and its strength is determined by its maximum amplitude. Continuous Wavelet Transformation method is a method of time-frequency decomposition (time-frequency decomposition) is also known as spectral decomposition is intended to characterize the seismic response at certain frequencies, and can also be used to filter the data, eliminating the signals of unwanted or improve the quality data quality. In this case the data used is real seismic data is Tarutung regional tectonic earthquake on May 19, 2008. Tarutung earthquake seismic signal analysis used in this study wavelet Gauss 4, Mexh, Morlet, and Haar. From the analysis of seismic signals with the wavelet used, the type of wavelet Mexh shows better image resolution of this type of Gaussian 4 wavelet, Morlet, and Haar. The resulting scale was smaller, this means that wavelet shortened and high frequency results with the wavelet analysis of seismic signals show arrival time Mexh Primary (P) wave on the GSI range sensor 1800 ms and the maximum amplitude is localized at 2000 ms, the sensor SIDE Primary (P) wave arrival time ranges from 3000 ms and the maximum amplitude is localized around 4500 ms, the sensor PSI, Primary wave arrival time 3500 ms and amplitude ranging from localized maximum of approximately 4500 ms. Key words: seismic data, non-stationary, continuous wavelet transformation, Gauss 4, Mexh Morlet, Haar. Universitas Sumatera Utara KATA PENGANTAR Pertama-tama kami panjatkan puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan rahmatNya kepada kita semua, sehingga proposal tesis ini dapat selesai dengan baik dengan judul :”Analisis Dekomposisi Spektral Data Seismik Dengan Transformasi Wavelet Kontinu”. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Baafai, selaku ketua komisi pembimbing, Bapak Prof. Dr. Muhammad Zarlis dan Bapak Ori Novanada, ST. M.T selaku anggota komisi pembimbing yang dengan penuh sabar, arif dan bijaksana memberikan bimbingan, petunjuk dan arahan serta dorongan kepada penulis. Bapak Dr. Benny B. Nasution, Dipl.Ing. M.Eng, dan Bapak Soeharwinto, ST, M.T selaku pembanding utama tesis ini. Terselesaikannya usulan penelitian tesis ini juga melibatkan berbagai pihak yaitu : Ketua Program Studi dan Sekretaris Program Studi Magister Teknik Elektro, serta seluruh staf pengajar dan karyawan Program Studi Magister Teknik Elektro, untuk itu penulis mengucapkan terima kasih atas kontribusinya dan bantuannya. Tidak lupa juga buat rekan kerja di BMKG Wilayah I Medan yang memberi dukungan doa, rekan dosen di STMIK Budidarma Medan, dan STMIK Sisingamaraja XII dan istri tercinta ku yang banyak memberi dukungan. Penulis menyadari masih ada kekurangan dalam tulisan ini, namun penulis mengharapkan tulisan ini dapat memenuhi persyaratan yang diperlukan untuk suatu Universitas Sumatera Utara tesis dalam Program Studi Magister Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Akhir kata penulis mengucapkan banyak terima kasih dan semoga tesis ini dapat berguna bagi kita semua. Medan, Agustus 2011 Penulis, Marzuki Sinambela Universitas Sumatera Utara DAFTAR RIWAYAT HIDUP Saya yang bertanda tangan di bawah ini: Nama : Marzuki Sinambela Tempat / Tanggal Lahir : Medan / 7 Desember 1983 Jenis Kelamin : Laki-laki Agama : Kristen Protestan Alamat Rumah : Jl.Turi No.113 Medan, Kel. Teladan Timur, Kec. Medan Kota, Kab/Kota.Medan Telepon : 081319366700 Email : [email protected] PENDIDIKAN 1. Tamatan SD Parulian : Tahun 1996 2. Tamatan SMP Negeri 3 Medan : Tahun 1999 3. Tamatan SMU Negeri 5 Medan : Tahun 2002 4. Tamatan AMG Jakarta : Tahun 2005 5. Tamatan S1 STMIK Budidarma : Tahun 2008 Universitas Sumatera Utara PEKERJAAN 1. Tahun 2006 s/d sekarang : Staf Sub. Bidang Managemen Database BMKG Wilayah 1 Medan 2. Tahun 2008 s/d sekarang : Staf Pengajar Di STMIK Budidarma Medan 3. Tahun 2008 s/d sekarang : Staf Pengajar Di STMIK Sisingamangaraja XII Pendidikan Non Formal / Training – Seminar : 1. Lokakarya Nasional BMKG-PEMDA “ Pencegahan dan Penanggulangan Bencana Alam” Jakarta, 23 s/d 24 Maret 2006. 2. Training Course on Seismological Near Real Time Data Processing For ASEAN Countries and Sri Langka “ SeiscomP Training as Participant”, Jakarta, 27 s/d 29 Maret 2006. 3. Peningkatan Kemampuan Pengolahan Data Meteorologi, Klimatologi, Kualitas Udara dan Geofisika, Berastagi, 19 s/d 21 Pebruari 2009. 4. Weather, Climate And The Air We Breathe, BMKG Wilayah I Medan, 23 Maret 2009. 5. Pelatihan Revisi Kurikulum dalam Peningkatan Kinerja Staf Melalui Penguatan Partisipasi, STMIK Budidarma Medan, 27 November 2010. 6. Pelatihan Pengembangan Sistem Jaminan Mutu Perguruan Tinggi, STMIK Budidarma Medan, 11 September 2010. Medan, Penulis, Agustus 2011 Marzuki Sinambela Universitas Sumatera Utara DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK.................................................................................................... i ABSTRACT................................................................................................... ii KATA PENGANTAR................................................................................. iii DAFTAR RIWAYAT HIDUP.................................................................... v DAFTAR ISI................................................................................................ vii DAFTAR TABEL........................................................................................ ix DAFTAR GAMBAR................................................................................... xi BAB 1 PENDAHULUAN.......................................................................... 1 1.1. Latar Belakang ........................................................................ 1.2. Perumusan Masalah …............................................................. 1.3. Batasan Masalah ...................................................................... 1.4. Tujuan Penelitian ..................................................................... 1.5. Manfaat Penelitian ................................................................... 1.6. Sistematika Penulisan .............................................................. 1 6 6 7 7 8 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA................................................................ 9 2.1. Pendahuluan ............................................................................. 2.2. Teori Gempa Bumi .................................................................. 2.3. Parameter Gempa Bumi............................................................ 2.4. Teori Penjalaran Gelombang Seismik...................................... 2.5. Wavelet..................................................................................... 2.6. Jenis wavelet............................................................................. 2.6.1. Complex Gausian............................................................ 2.6.2. Daubechies..................................................................... 2.6.3. Morlet............................................................................. 2.6.4. Symlet.............................................................................. 2.6.5. Wavelet Haar.................................................................. 9 9 11 13 21 26 26 27 28 29 31 Universitas Sumatera Utara 2.6.6. Coiflet............................................................................. 2.7. Seed........................................................................................... 32 34 BAB 3 METODE PENELITIAN.............................................................. 35 3.1. Metode Pengumpulan Data...................................................... 3.2. Perangkat Lunak ...................................................................... 3.3. Prosedur Pengolahan Data Real Seismik.................................. 3.4. Data Uji Penelitian.................................................................... 3.4.1. Data sintetis non stasioner.............................................. 3.4.1.1. Sinyal sinusoidal periodik.................................. 3.4.1.2. Sinyal sinusoidal jumlahan dua frekuensi......... 3.4.1.3. Sinyal sinusoidal dengan derau putih................ 3.4.2. Data real seismik ............................................................ 3.4.2.1 Data seismik gempa bumi Tarutung 19 Mei 2008........ 3.5. Sumber Data............................................................................. 3.6. Analisa Sinyal Non Stasioner Sintesis...................................... 3.6.1. Analisis sinyal sinusoidal periodik frekuensi................. 3.6.2. Analisis sinyal sinusoidal jumlahan dua frekuensi…..... 3.6.3. Analisis sinyal sinusoidal jumlahan dua frekuensi dengan derau putih........................................................ 3.7. Analisa Sinyal Non Stasioner Nyata......................................... 3.7.1. Data seimik Tarutung..................................................... 3.7.1.1. Sensor GSI......................................................... 3.7.1.2. Sensor SISI........................................................ 3.7.1.3. Sensor PSI.......................................................... 35 35 36 38 38 38 39 40 41 42 45 46 46 50 BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN………………………………… 4.1. Hasil Analisis Data Seismik Gempa Tarutung 19 Mei 2008 Sensor GSI................................................................................ 4.2. Hasil Analisis Data Seismik Gempa Tarutung 19 Mei 2008 Sensor SISI............................................................................... 4.3. Hasil Analisis Data Seismik Gempa Tarutung 19 Mei 2008 Sensor PSI................................................................................ 4.4. Pembahasan Hasil Spektral Data Seismik Gempa Bumi Tarutung 19 Mei 2009.............................................................. 83 BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN.................................................... 5.1. Kesimpulan............................................................................... 5.2. Saran......................................................................................... 52 53 53 54 64 73 83 88 93 97 99 99 100 Universitas Sumatera Utara DAFTAR PUSTAKA................................................................................. 101 LAMPIRAN................................................................................................ 104 Universitas Sumatera Utara DAFTAR TABEL Nomor Judul Halaman 1.1. Daftar nama peneliti menggunakan metode wavelet.................... 5 3.1. Data seismik gempa Tarutung 19 Mei 2008 yang terjadi di Darat............................................................................................. 42 Hasil analisa data seismik gempa Tarutung 19 Mei 2008 sensor GSI dengan transformasi wavelet kontinu........................ 62 Hasil filter sinyal seismik gempa Tarutung 19 Mei 2008 dengan transformasi wavelet kontinu........................................................ 63 Hasil analisa spektral data seismik gempa Tarutung 19 Mei 2008 sensor SISI dengan transformasi wavelet kontinu.............. 68 Hasil filter sinyal seismik gempa Tarutung 19 Mei 2008 sensor SISI dengan transformasi wavelet kontinu.................................. 68 Hasil analisa spektral data seismik gempa Tarutung 19 Mei 2008 Sensor SISI dengan transformasi wavelet kontinu............. 73 Hasil filter sinyal seismik gempa Tarutung 19 Mei 2008 sensor PSI dengan transformasi wavelet kontinu.................................... 79 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. Universitas Sumatera Utara DAFTAR GAMBAR Nomor Judul Halaman 1.1. Peta penyebaran gempa di sumatera utara periode 2010............. 1 2.1. Mekanisme terjadinya gempa bumi …….................................... 10 2.2. SBGf - Sociedade Brasileira de Geofísica,2005…...................... 16 2.3. Transformasi wavelet kontinu : Tool baru untuk analisa sinyal sinusoidal...................................................................................... 19 Transformasi wavelet kontinu: Tool baru untuk analisa sinyal skala……….................................................................................. 20 Analisis fourier : Tool baru untuk analisa sinyal dengan transformasi fourier...................................................................... 20 Analisa wavelet :Tool baru untuk analisa sinyal dengan transform wavelet......................................................................... 20 2.7. Proses tapisan satu-tingkat .......................................................... 22 2.8. Pohon dekomposisi (setengah) berbasis tapis wavelet ................ 24 2.9. Fungsi skala dan fungsi wavelet “Cgau 4” ................................. 27 2.10. Fungsi skala dan fungsi wavelet “db 4” ..................................... 28 2.11. Fungsi skala dan fungsi wavelet “Morlet” .................................. 29 2.12. Fungsi skala dan fungsi wavelet “Symlet 4” ............................... 30 2.13. Fungsi skala dan fungsi wavelet “Haar” ..................................... 31 2.14. Fungsi skala dan fungsi wavelet “Coiflet” .................................. 32 2.4. 2.5. 2.6. Universitas Sumatera Utara 2.15. Grafik nilai frekuensi pusat masing-masing jenis wavelet .......... 33 3.1. Diagram alir dekomposisi spektral data real seismik ................. 36 3.2. Peta jaringan sensor waveform di Sumatera................................. 37 3.3. Sinyal sinusoidal periodik ........................................................... 39 3.4. Sinyal sinusoidal jumlahan dua frekuensi.................................... 40 3.5. Sinyal sinusoidal dengan derau putih........................................... 41 3.6. Peta seismistas Tapunuli Utara tanggal 19 Mei 2008 ................. 43 3.7. Sinyal seismik gempa Tarutung 19 Mei 2008 pada sensor GSI... 43 3.8. Sinyal seismik gempa Tarutung pada sensor SISI....................... 44 3.9. Sinyal seismik gempa bumi Tarutung pada sensor PSI............... 45 3.10. Kerapatan spektral daya sinusoidal periodik dengan slice frekuensi …….............................................................................. 46 Korelasi skala dengan frekuensi dari sinyal sinusoidal periodik ...................................................................................................... 47 Hasil transformasi wavelet kontinu sinyal sinusoidal periodik dengan wavelet Gauss 4............................................................... 48 Hasil spektrum sinyal sinusoidal periodik dengan wavelet Gauss 4......................................................................................... 48 Hasil spektral sinyal sinusoidal periodik dengan wavelet Mexh.............................................................................................. 49 Hasil spektral sinyal sinusoidal periodik dengan wavelet Morlet............................................................................................ 49 Hasil spektral sinyal sinusoidal periodik dengan wavelet Haar.............................................................................................. 50 3.11. 3.12. 3.13. 3.14. 3.15. 3.16. Universitas Sumatera Utara 3.17. Hasil kerapatan spektral daya sinyal sinusoidal jumlah dua frekuensi........................................................................................ 50 Hasil spektral sinyal sinusoidal jumlahan dua frekuensi dengan wavelet Gauss 4............................................................................ 51 Transfromasi wavelet kontinu sinyal sinusoidal jumlahan dua frekuensi dengan wavelet Gauss 4................................................ 51 Hasil kerapatan spektral daya sinyal sinusoidal jumlahan dua frekuensi dengan derau putih........................................................ 52 Hasil transformasi wavelet kontinu sinyal sinusoidal dan bising dengan wavelet Gauss 4............................................................... 53 Kerapatan spektral daya data seismik gempa Tarutung sensor GSI................................................................................................ 54 Hubungan skala dengan frekuensi dari sinyal seismik gempa Tarutung sensor GSI..................................................................... 55 Hasil transformasi wavelet kontinu data seismik sensor GSI dengan wavelet Gauss 4 .............................................................. 55 Hasil transformasi wavelet kontinu data seismik sensor GSI dengan wavelet Mexh .................................................................. 56 Hasil transformasi wavelet kontinu data seismik sensor GSI dengan wavelet Mortlet ............................................................... 57 Hasil transformasi wavelet kontinu data seismik sensor GSI dengan wavelet Haar.................................................................... 58 3.28. Hasil filter sinyal seismik gempa Tarutung dengan wavelet Gauss 4......................................................................................... 59 3.18. 3.19. 3.20. 3.21. 3.22. 3.23. 3.24. 3.25. 3.26. 3.27. 3.29. 3.30. Hasil filter sinyal seismik gempa Tarutung dengan wavelet Mexh............................................................................................. 60 Hasil filter sinyal seismik gempa Tarutung dengan wavelet Morlet........................................................................................... 61 Universitas Sumatera Utara 3.31. Hasil filter sinyal seismik gempa Tarutung dengan wavelet Haar.............................................................................................. 61 3.32. Kerapatan spektral daya sinyal seismik gempa bumi Tarutung sensor SISI.................................................................................... 64 3.33. 3.34. 3.35. 3.36. 3.37. 3.38. 3.39. 3.40. 3.41. 3.42. 3.43. 3.44. Hubungan skala dan frekuensi sinyal seismik gempa bumi Tarutung sensor SISI................................................................... 65 Hasil transformasi wavelet kontinu dari sinyal seismik Tarutung sensor SISI dengan wavelet Gauss 4.......................................... 65 Hasil transformasi wavelet kontinu sinyal seismik gempa Tarutung sensor SISI dengan wavelet Mexh.............................. 66 Hasil transformasi wavelet kontinu sinyal seismik gempa bumi Tarutung sensor SISI dengan wavelet Morlet.............................. 66 Hasil transformasi wavelet kontinu sinyal seismik gempa bumi Tarutung sensor SISI dengan wavelet Haar................................ 67 Hasil filter sinyal seismik gempa Tarutung sensor SISI dengan Wavelet Gauss 4........................................................................... . Hasil filter sinyal seismik gempa Tarutung sensor SISI dengan wavelet Mexh............................................................................... 69 70 Hasil filter sinyal seismik gempa Tarutung sensor SISI dengan Wavelet Morlet............................................................................ 71 Hasil filter sinyal seismik gempa Tarutung sensor SISI dengan wavelet Haar................................................................................ 72 Kerapatan spektral daya data seismik gempa bumi Tarutung sensor PSI.................................................................................... 74 Hubungan skala dengan frekuensi data seismik gempa bumi Tarutung sensor PSI.................................................................... 74 Hasil transformasi wavelet kontinu data seismik gempa bumi Tarutung sensor PSI dengan wavelet Gauss 4............................. 75 Universitas Sumatera Utara 3.45. 3.46. 3.47. 3.48. 3.49. 3.50. 3.51. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. 4.7. Transformasi wavelet kontinu data seimik gempa bumi Tarutung sensor PSI dengan wavelet Mexh................................. 76 Hasil transformasi wavelet kontinu data seismik gempa bumi Tarutung sensor PSI dengan wavelet Morlet............................... 77 Hasil transformasi wavelet kontinu data seismik gempa bumi Tarutung sensor PSI dengan wavelet Haar.................................. 78 Hasil filter sinyal seismik gempa Tarutung sensor PSI dengan wavelet Gauss 4............................................................................ 79 Hasil filter sinyal seismik gempa Tarutung sensor PSI dengan wavelet Mexh................................................................................ 80 Hasil filter sinyal seismik gempa Tarutung sensor PSI dengan wavelet Morlet.............................................................................. 81 Hasil filter sinyal seismik gempa Tarutung sensor PSI dengan wavelet Haar................................................................................. 82 Hasil spektral data seismik gempa Tarutung Sensor GSI dengan wavelet Gauss 4........................................................................... 84 Hasil spektral data seismik gempa Tarutung sensor GSI dengan wavelet Mexh................................................................................ 85 Hasil spektral data seismik sensor GSI dengan wavelet Morlet............................................................................................ 86 Hasil spektral data seismik gempa bumi Tarutung sensor GSI dengan wavelet Haar.................................................................... 87 Hasil spektral data seismik gempa bumi Tarutung sensor SISI dengan wavelet Gauss 4............................................................... 89 Hasil spektral data seismik gempa bumi Tarutung sensor SISI dengan wavelet Mexh................................................................... 90 Hasil spektral data seismik gempa bumi Tarutung sensor SISI dengan wavelet Morlet.................................................................. 91 Universitas Sumatera Utara 4.8. 4.9. 4.10. 4.11. 4.12. Hasil spektral data seismik gempa bumi Tarutung sensor SISI dengan wavelet Haar.................................................................... 92 Hasil spektral data seimik gempa bumi Tarutung sensor PSI dengan wavelet Gauss 4............................................................... 93 Hasil spektral data seismik gempa bumi Tarutung sensor PSI dengan wavelet Mexh................................................................... 94 Hasil spektral data seismik gempa bumi Tarutung sensor PSI dengan wavelet Morlet.................................................................. 95 Hasil analisa sepktral data seismik gempa bumi Tarutung sensor PSI dengan wavelet Haar............................................................. 96 Universitas Sumatera Utara
