PEMETAAN DINAMIS EKOSISTEM IKAN PELAGIS MELALUI TEKNOLOGI INDERAJA DI PERAIRAN LAUT INDONESIA SUATU STUDI KASUS PERAIRAN DALAM (UTARA IRIAN JAYA) DAN PERAIRAN DANGKAL (KANGEAN)
RINGKASAN DISERTASI
Untuk memperoleh gelar Doktor dalam Ilmu Pengetahuan Teknik Pada Institut Teknologi Bandung Dipertahankan pada Sidang Terbuka Komisi Program Doktor Program Pascasarjana ITB Tanggal 13 Mei 2000
Oleh AGUS HARTOKO NIM : 32296029
Promotor Ko-promotor
: Prof Dr. In Jacub Rais, MSc : Prof. Dr. Ing. Sjamsir Mira Prof. Dr. Ir. Joenil Kahar
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2000
Tujuan penelitian adalah pemetaan secara dinamis ekosistem ikan pelagis kecil di perairan dangkal dan ekosistem ikan pelagis besar di perairan dalam melalui pendekatan analisis terpadu `karakterekosistem' dan `karakter-spektral' inderaja pada musim yang berbeda (pendekatan `spatiotemporal'). Selama ini penelitian di laut dilakukan sendiri-sendiri sesuai dengan keperluan instansi masing-masing. Sehingga sulit mengetahui dan menganalisa karakter ekosistem serta memetakan sumber hayati laut itu secara terpadu sebagai suatu ekosistem yang utuh. Penelitian inderaja yang dilakukan selama ini selalu diartikan dan atau bersifat `pembenaran bumi' (sea-truth) terhadap data `waktu sebenarnya' (real-time) yang pada kenyataanya sulit dilakukan serta belum memberikan informasi dasar secara utuh dan menyeluruh. Maka penelitian ini disamping digunakan metoda `pembenaran bumi' juga dilakukan metoda karakterisasi suatu ekosistem dalam periode dan wilayah tertentu' (spatiotemporal). Dalam penelitian ini aspek inderaja lebih ditekankan pada analisisspektral. Berdasarkan data produksi perikanan pelagis kecil secara nasional (1985 - 1995) ternyata sebagian besar berasal dari perairan Kep. Kangean, serta menunjukan adanya pola/ siklus produksi musiman yang spesifik. Namun dari aspek ekosistemnya selama ini belum diketahui secara menyeluruh. Maka penelitian ini difokuskan untuk mengetahui karakter ekosistem perairan dangkal dan dalam pada musim berbeda. Aspek inderaja ingin diketahui `spektral-spesifik' band-2, 3, 4 dan 7 data Landsat_TM dan band-1, band-2 data NOAA (sangat berpotensi dan selama ini belum dimanfaatkan). Hasil penelitian adalah merupakan informasi dasar dalan penyusunan model algoritma peramalan Validasi hasil penelitian melalui uji korelasi antara data inderaja terhadap data biomas ikan (data akustik 'Fish-Finder' untuk perairan dalam Utara Irja) dan data hasil tangkapan ikan langsung bersama kapal ikan KM. Tunas Samodra, Juwana-Pati (untuk perairan dangkal Kep. Kangean). Data perairan (ekosistem) meliputi data nir-hayati yaitu suhu, kedalaman, salinitas, hara nitrat dan fosfat dan parameter hayati seperti klorofil-a, jenis dan dominasi baik fito dan zooplankton, larva dan biomasa ikan. Metoda pengambilan atau pengukuran data adalah secara horizontal di permukaan dan secara vertikal pada kolom air, untuk mengetahui pola pergerakan dan percampuran masa air. Antar data parameter perairan tersebut dilakukan interkorelasi untuk mengatahui keeratan hubungannya Sebagai karakter masing-masing ekosistem pada musim yang berbeda. Data inderaja NOAA-AVHRR dilakukan pemrosesan untuk analisis suhu permukaan laut (SPL) dengan `split window algorithm' dari Rosby & Montgomery 1984 dengan band-4 dan band-5. Citra ini dipakai untuk pemantauan proses percampuran dan pergerakan masa air laut. Juga dilakukan analisis citra klorofil-a dengan algoritma NDVI band-1 dan band-2. Algoritma Cira klorofil-a pada data Landsat-TM adalah : NDVI band-3 dan band-4; Chlorophyll Photosynthetic Activity (CPA) band-2 dan band-4; serta Midle-Infrared Reflectance Index (MIRI) band-3 dan
band-7 sebagai gambaran dari prows nirhayati ke prows hayati di perairan. Selanjutnya dilakukan uji korelasi antara data inderaja terhadap data perairan. Algoritma yang memberikan response spektral terbaik adalah yang memberikan nilai koefisien korelasi (± r) terbesar. Kemudian dilakukan analisis spektral melalui kluster spektral untuk mengetahui `spektralspesifik' (spectralsignature) baik data NOAA maupun Landsat TM. Hal ini dilakukan baik pada data musim Barat dan musim Timur, pada ekosistem ikan pelagis besar di Utara Irian Jaya serta pelagis kecil di sekitar Kep. Kangean. Karakter perairan Utara Irja yang dapat diketahui dari penelitian ini diantaranya adalah pola sebaran masa air yang spesifik. Hal ini diketahui berdasarkan plot data permukaan parameter SPL; N/Prasio; klorofil-a, plankton dan biomas ikan, menunjukkan pola yang konsisten dan identik satu dengan yang lain. Suhu permukaan perairan antara 27 - 30 0C: Suhu di bawah permukaan sampai di atas lapisan termoklin (kedalaman 90 m) antara 29 – 27 0C. Di bawah lapisan termoklin sampai kedalaman 300 m suhu perairan antara 26 °C sampai 9 °C. Plot data suhu dan kedalaman secara vertikal menunjukkan bahwa lapisan termoklin pada kedalaman 110 m. Berdasarkan persamaan linier suhu dan kedalaman vertikal, dikembangkan konstanta penurunan suhu vertikal (Ctv) sebagai indikator kuantitatif pembeda kecerahan atau tingkat penetrasi sinar matahari.untuk perairan yang berbeda. Pada perairan Utara Irja diperoleh konstanta Ctv adalah 0,0681. Berdasarkan profil vertikal data suhu dan kedalaman mengindikasikan adanya proses 'up-welling'. Dimana masa air dengan suhu 16 °C pada kedalaman 200 m dan suhu 26 °C dari kedalaman 90 m dari perairan Utara Irja (St.5) dan Halmahera (St.4) mengalir menuju permukaan perairan sekitar Pulau Seram (St.3). Hal ini diikuti dengan pola sebaran vertikal hara nitrat, fosfat dan plankton di daerah 'up-welling' ini. Profil salinitas vertikal menunjukkan adanya `efek down-welling' dimana masa air dengan salinitas 34,0 sampai 34,6 psu di bawah termoklin di St.4 menuju ke lapisan dalam di bawah kedalaman 120 m. Konsentrasi hara.Nnitrat di penmukaan antara 0,1 - 0,8 µg/l, di bawah permukaan sampai kedalaman 75 m berkisar antara 0,279 - 3,619 µg/l, dan konsentrasi dari kedalaman 110 m sampai kedalaman 300 m mencapai 15,438 34 µg/l. Konsentrasi permukaan hara P-fosfat antara 0,04 - 0,28 µg/l. N/P-rasio perairan berkisar antara 4 - 24. Profil vertikal data nitrat dan fosfat mengindikasikan bawwa lapisan termoklin merupakan faktor pembatas dalam distribusi vertikal hara tersebut. Konsentrasi hara nitrat, fosfat dan klorofil-a di penmukaan adalah seperlima atau sepersepuluh dari konsentrasi pada kedalaman di bawah lapisan termoklin 110 m. Nilai konstanta C300/Co (berdasarkan konsep Cdeep/Csurface) untuk hara N-nitrat adalah 52 dan untuk hara P-fosfat adalah 16. Konsentrasi klorofil-a permukaan antara 0,4 - 1,795 mg/m3. Kandungan klorofil-a di perairan ini tetap tinggi yaitu 1,6 mg/m3 pada kedalaman 200 m di St.3 dan 1,8 mg/m3 pada. kedalaman 300 m
di St. 19, melewati lapisan termoklin 110 m. Dominasi fitoplankton adalah jenis Trichodesmium sp (Cyanophyceae) dengan indeks kelimpahan relatif (Simpson's index) adalah 34,70%. Karakter spesifik perairan ini adalah melimpahnya jenis Dynoflagelata dan Radiolaria (jenis non-klorofil-a). Dominasi jenis zooplankton adalah jenis Copepoda. Data akustik biomasa total dari permukaan sampai kedalaman 150 m menunjukkan bahwa biomasa tertinggi (1.200 r.i.u) berada di sekitar daerah up-welling (St.4). Sekitar 50% diantaranya adalah biomasa plankton, 40% adalah biomasa larva dan 10% biomasa ikan. Jenis ikan dominan adalah cakalang (Katsuwonus pelamis) dan tuna (Thunnus spp). Dari tiga algoritma klorofil-a yang dilakukan pada data Landsat_TM, yaitu NDVI 43, CPA 42 dan MIRI_73 umumnya memberikan respon spektral yang baik terhadap sebaran biomasa total. Algoritma MIRI_73 memberikan respon spektral yang baik terhadap sebaran nitrat, klorofil-a dan biomasa total. Analisis statistik kluster spektral pada algoritma CPA_42 data Landsat_TM memberikan nilai rerata 10 kelas pada kluster-spektrat sebesar 134,979 untuk perairan dalam Utara Irian Jaya. Suhu permukaan perairan Kep. Kangean antara 27 - 29 °C. Konstanta Ctv, di perairan ini adalah 0,0733. Berdasarkan profil vertikal suhu dan salinitas perairan dan pemantauan citra SPL data NOAA secara musiman (time-series) didapat indikasi proses percampuran masa air secara horizontal (horizontal nixing). Cenderung homogen di permukaan pada musim Timur (Mei Oktober), dan mulai nampak adanya proses percampuran masa air pada musim. Barat mulai bulan Desember sampai Maret. Konsentrasi N-nitrat permukaan antara 0,34 - 1,06 µg/l dan P-fosfat antara 0,0885 - 0,4524 µg/l. Konsentrasi klorofil-a permukaan sekitar 0,4 mg/m3 dan mencapai 1,6 mg/m3 pada kedalaman 150 m. Konsentrasi fitoplankton dominan adalah jenis Coscinodiscus spp (Bacillariophyceae) dan Pleurosigma spp dan zooplankton dominan adalah Copepoda. Hasil tangkapan ikan dominan adalah ikan Layang (Decapterus spp), ikan Kembung (Rastrelliger kanagurta) dan ikan Tongkol (Euthynus spp), Rerata hasil tangkapan ikan selama musim Timur (Mei - Oktober 1997) adalah 14.250 kg per tangkap/hari, dan musim Barat (Desember 1997 - Maret 1998) adalah 9000 kg. Secara unium posisi penangkapan di sekitar Utara P. Kangean (posisi 115° BT dan 6° LS). Hasil tangkap berfluktuasi dimana mencapai puncaknya pada bulan Oktober (musim Timur) dan terendah pada bulan Februari atau Maret (musim Barat). Dari ketiga algoritma data Landsat TM pada stasiun 'sea-truth' yang memberikan response spektral terbaik terhadap data perairan adalah algoritma CPA 42. Nilai rerata 10 kelas kluster-spektral algoritma ini adalah 85,017 untuk perairan dangkal Kep. Kangean. Algoritma NDVI_blb2 data NOAA memberikan response spektral yang baik pada sebaran fitoplankton dan klorofil-a. Nilai
rerata 10 kelas kluster-spektral algoritma ini pada musim Timur adalah 158,489 dan pada musim Barat adalah 47,121.
The main purpose of thus research is dynamic mapping of the pelagic fish ecosystems with different seasons and depths of water (spatio-temporal pattern), through an integrated-analysis aprroach of both the characters of the small pelagic fish ecosystems in shallow waters (Kangean islands) and large pelagic fish ecosystems in deep waters (North Irian Jaya) and correlated to the `spectralsignature' of both NOAA-AVHRR and Landsat_TM data. The prevailing research on fisheries and remote-sensing in Indonesia carried out by several institutions, was basically restricted to their own sectoral interest, with no holistic concept on parameters as part of an ecosystem, and ultimatelly resulting in difficulty in understanding the whole ecosystems and resources as a comprehensive information. Remote sensing studies on marine environment have been always regarded as a 'seatruth' process based on real-time field data, which is in fact creating difficulties for Indonesian conditions and resulting in non-comprehensive information. The remote sensing aspect in this research will focus on the spectral analysis. Based on 11 years data of national production of small pelagic fisheries from 1985 to 1995 which was mainly produced, from Kangean Islands waters shows a specific seasonal cycle, but unfortunately on other hands the characters of the ecosystems were not known yet. Therefore this research was focused on the study of the characters of both deep water ecosystems (North Irian Jaya), and shallow water ecosystems (Kangean Islands) during East and West Monsoon, as well as the spectral-signature from NDVI_43, CPA_42 and MIRI_73 algorithms of Landsat TM and especially the potential use of band-1 and band-2 of NOAH data for chlorophyll-a algorithm. This creates the basic information to build the modeling algoritlun. Result of the research wasvalidated through correlations with biomass data from acoustic method for deep-water ecosystem off North Irian Jaya and the actual catch data collected directly using the fishing vessel "Tunas Samodra" for shallow water ecosystem of Kangean Islands. The approach in this research is integration of ecosystem data of abiotic parameters, such as water temperature, depth, salinity, nitrate, phosphate and biotic parameters such as chlorophyll-a, types and domination of both phytoplankton and zooplankton community, larvae and fish biomass. Methods of sampling and measurements were horizontal and vertical to represent the water column, in order to study the character and seawater distribution pattern. Among the water parameters, an intercorellation was conducted to understand each ecosystem characters of the respective waters in
different seasons. For data from NOAA satellites, sea surface temperature was derived through ‘split-window' algorithm of band-4 and band-5 (Rosby & Montgomery 1984) to indicate seawater mixing and distribution pattern. Chlorophyll-a algorithm was derived from both NOAA satellite data as well as Landsat TM satellite data. NOAH data, NDVI of band-1 and band-2 was used , while for Landsat_TM data NDVI of band-3 and band-4, `Chlorophyll Photosynthetic Activity' (CPA) of band-2 and band-4 , 'Middle-Infrared Reflectance Index (MIRI) of band-3 and band-7. The next step is intercorrelation of the field data to the algorithm of the satellite data. The best correlated algorithm, a spectral analysis was conducted through spectral cluster of statistic analysis to study a he `spectral signature' both on NOAA and LANDSAT_TM data, for different seasons and area of waters, that is shallow (Kangean Islands water) and deep water (North Irian Jaya waters). Characters of deep water of North Irian Jaya as revealed in this study among others are a specific water mass circulation pattern, which is based on the plot of most of surface data such as SST, N/Pratio, chlorophyll-a, plankton and fish biomass. This plot yields a similar water circulation pattern. Sea surface temperature ranges between 27 - 30 °C. While temperature from the surface to the depth of 75 m above the thermocline layer is between 29 °C to 26 °C, and temperautre at depth of 300 m below thermocline layer is from 26 °C to 9 °C. Plot of temperature and depth shows that the thermocline layer is at the depth of 110 m. Based on linear regression of vertical temperature and depth, a constants of vertical temperature decrease (Ctv) was developed as quantitative indicator for the water transparency or the penetrations of sunlight into the water column. The Ctv constant for deep water ecosystem of North of Irian Jaya is 0.0681. Based on the vertical profile of temperature and salinity data indicates the 'up-welling' process in which sea water mass with temperature of 16 °C at depth of 200 m and 26 °C at depth of 90 m flows from North Irian Jaya (St. 5) and Halmahera (St.4) to the surface water near Seram island (St.3). This fact is almost the same with the vertical circulation pattern of nitrate, phosphate concentrations and plankton abundant in this region. Vertical profile of salinity indicates the 'down-welling effect', where water with salinity of 34,0 34,6 psu flows down to the depth below 300 in at St.4. Concentration of surface N-nitrate is between 0,1 - 0,8 µg/l, from surface to the depth of 75 m ranges between 0,279 - 3,619 µg/l, and at depth of 300 m below the thermocline is 15,438 34 µg/l. Surface concentration of P-phosphate range between 0,04 - 0,28 µg/I, and N/P-ratio range between 4 - 24. Based on the vertical profil of N-nitrate and P-phosphate indicates that the thermocline layer act as a barrier in the vertical circulation of these nutrients. The concentration of chlorophyll-a was still high until the depth of 300 m, passing through the thermocline layer at the depth of 110 m. In general, the concentration of nitrate, phosphate and chlorophyll-a was one-fifth or onetenth of concentration at the depth below
the thermocline layer of 111) in. The constant of C300/C0 (based on Cdeep/Csurface concept) for Nnitrate is 52 and for P-phosphate is 16. Concentration of surface chlorophyll-a ranges between 0.4 1.795 mg/m3. The concentration is still high (1.6 mg/m3) at the depth of 200 in (St.3), and 1.8 mg/ m3 at the depth of 300 in (St.19). Dominant phytoplankton in this water is Tricodesmium sp (Cyanophyceae) with relative abundance index (Simpson's Index) of 34.70 % and the specific of this water is the abundance of Dynoflagelates and Foraminifers. Zooplankton is dominated by genera of Copepods. Acoustic data from surface to the depth of 150 m, indicates that the highest biomass of 1200 r.i.u was arround the upwelling region. Where as about 50% of the biomass (TS : 100 - 150 dB) was assumed as plankton biomass, 40% (TS : 50 - 100 dB) biomass of larvae and about 10 % (TS : 0 - 50 dB) biomass of fish. In general, the three chlorophylla algorithms of Landsat_TM gave a good spectral response (high correlation coefficient) to the distribution of total biomas (acoustic data) for the North Irian Jaya waters. Statistical analysis on the spectral cluster of algorithm CPA 42 of Landsat_TM data gave a mean from 10 classes of spectral cluster : 134.979 for North Irian Jaya. Sea surface temperature of Kangean islands ranges between 27 - 29 °C. The constant Ctv for shallow water is 0.0733. Surface concentration of N-nitrate ranges between 0.34 - 1.06 gg/1 and Pphosphate between 0.0885 - 0.4524 µg/l. Constant of C300/C0 for N-nitrate is 42, and P-phosphate is 5.81. Surface concentration of chlorophyll-a is about 0.4 mg/m3 and 1.6 mg/m3 at the depth of 150 m. Based on the vertical profile of temperature and salinity as well as pattern of sea-surface temperature from band-4 and baud-5 of NOAA data, in general the water mass is homogenous during dry season (East Monsoon) and indicates a horizontal mixing process of water during wet season (West Monsoon) from December to March. Dominant phytoplankton in Kangean waters is a genus of Coscinodiscus spp (Bacillariophyceae) and Pleurosigma spp, dominant zooplankton is Copepods. Dominant fish catch is Decapterus spp, Rastrelliger kanagurta and Euthynus spp.The average fish, catch per haul during dry-season (May - October 1997) is 14,250 kg and 9,000 kg during wet-season (December 1997 - March 1998). The center of fishing position is around the North of Kangean island at 115° E and 6° S. Based on the three chlorophyll-a algorithms of Landsat_TM data on the sea-truth stations, which give the best spectral response with respect to field data, is CPA_42 algorithm. The mean of 10 classes of cluster-spectral of CPA_42 algorithm is 85.017 for Kangean Islands. Chlorophyll-a algorithm of NDVI_12 of NOAA data yields the best spectral response both to the distribution of chlorophyll-a and phytoplankton. The mean value from 10 classes of spectral cluster for this algorithm in the dry season was 158.489 and 47.121 for the wet season.
