## TOP.AR - TEKNOLOGI AUGMENTED REALITY UNTUK MEDIA PEMBELAJARAN BENTUK TOPOGRAFI 3 DIMENSI PERMUKAAN BUMI
Agung Budi Cahyono 1 , Udiana Wahyu Deviantari 2 , Danu Supradita 3
Departemen Teknik Geomatika, FTSLK-ITS, Kampus ITS Sukolilo, Surabaya, 60111, Indonesia e-mail: agungbc@geodesy.its.ac.id , dianada87@gmail.com, danusupradit@gmail.com

## Abstrak
Augmented  Reality  (AR)  merupakan  teknologi  visualisasi  yang  saat  ini  sedang  marak  dikembangkan  dalam bidang game, hiburan maupun teknologi. Dalam bidang pendidikan, teknologi augmented reality masih belum terlalu banyak penggunanya. Di bidang kebumian kemampuan berfikir spasial - menggambarkan bentuk, posisi, dan orientasi objek - membuat dan membaca peta  serta memvisualisasikan proses hubungan antara representasi 2D dan objek 3D dalam tiga dimensi adalah penting untuk memahami proses  seperti fenomena yang terjadi di bumi seperti elevation model dan garis kontur. Para peneliti telah menggunakan berbagai model - model fisik, virtual, dan augmented reality (AR) dalam upaya untuk meningkatkan kemampuan berpikir spasial. Sistem dan algoritma perangkat ini telah dibuat dan  dikembangkan  tahun  2014  oleh  tim  UC  Davis  dalam  pameran  Advancing  Earth  Science  Education,  American Geophysical Union (Reed et all, 2014). Sistem yang besifat open-source ini selanjutnya banyak diterapkan dan digunakan di  banyak  negara  terbukti  menjadi  media  pembelajaran  yang  menarik.  Dengan  alat  ini  diharapkan  para pendidik/guru/dosen/peneliti  dapat  memberikan  metode  pembelajaran  yang  menarik  dan  interaktif  kepada pelajar/mahasiswa  di  laboratorium  maupun  dikelas.    Sedangkan  bagi  masyarakat  luas    dapat  dipamerkan  pada exhibition/museum.  Diharapkan  dengan  sistem  ini  akan  lebih  memahami  ilmu  bumi  yang  dalam  implikasinya  dapat disertakan dalam visualisasi pengelolaan ekosistem atau landskap misalnya serta proses sains bumi dengan visualisasi tiga dimensi dari bentu garis kontur, sungai, danau, lembah serta pegunungan..
Penelitian  ini  menghasilkan  seperangkat  alat  dengan  material  lokal  dan  dinamai  Topography  Augmented Reality (Top.AR).  Topography Augmented Reality (Top.AR) adalah sebuah sistem yang terdiri dari komputer,  sensor, projector  dan  media  pasir  yang  memungkinkan  pengguna  secara  visual  dapat  membuat  topographic  surface  model secara real time. Sistem ini akan memperlihatkan degradasi warna karena perbedaan ketinggian, bentuk dan kerapatan garis kontur serta simulasi gerakan air dimuka bumi. Dengan sistem ini mahasiswa khususnya dibidang kebumian akan belajar konsep elevation surface model seperti dalam teori di bidang geodesi/geomatika, geografi, lanskap/tata ruang, geologi/mining atau hidrologi. Produk ini ideal untuk digunakan sebagai alat pembelajaran/pameran/peraga langsung di kelas, pameran teknologi maupun museum dalam rangka proses pembelajaran tentang ilmu kebumian.
Kata kunci : Augmented Reality, Surface Model, 3 D modeling

## PENDAHULUAN
Augmented Reality (AR) merupakan teknologi visualisasi  yang  saat  ini  banyak  dikembangkan dalam  bidang  game,  hiburan,  maupun  teknologi. Dalam  bidang  pendidikan,  teknologi  augmented reality masih belum terlalu banyak penggunanya. Saat  ini  masih  belum  banyak  alat  peraga  yang dapat  menggambarkan  secara  real  bagaimana bentuk  dan  pola  permukaan  bumi.  Setidaknya yang  ada  saat  ini  dengan  animasi  video  maupun gambar  dalam  bentuk  2D.  Kemampuan  berfikir spasial  -  seperti  menggambarkan  bentuk,  posisi, dan orientasi objek; membuat dan membaca peta; dan memvisualisasikan proses dalam tiga dimensi -  sangat  penting  untuk  memahami  proses kompleks  yang  terjadi  di  Bumi  (Wood,  2015). Meskipun  penting,  mahasiswa  sering  mengalami
kesulitan  dalam  berpikir  spasial  dan  menghadapi tantangan seperti skala pemahaman, simbologi, dan bagaimana  menghubungkan  representasi  dua dimensi (2D) dengan rekan tiga dimensi (3D) mereka (Chang  et  al.,  1985;  Ishikawa  dan  Kastens,  2005; Liben  dan  Titus, 2012  dalam  Tery, 2016).  Pendidik telah  menggunakan  berbagai  model  -  model  fisik, virtual,  dan  augmented  reality  (AR)  -  dalam  upaya untuk  meningkatkan  kemampuan  berpikir  spasial. Model  fisik  seperti  peta  relief  dan  sandbox  telah terbukti meningkatkan pemahaman peta topografi, membantu  mahasiswa  memahami  hubungan antara  representasi  2D  dan  objek  3D,  dan meningkatkan keterlibatan mahasiswa (Lord, 1985; Feldman et al., 2010; Kuehn 2012; Atit et al., 2015 dalam Reed, 2016).

## BENTUK TOPOGRAFI 3 DIMENSI PERMUKAAN BUMI
Oleh  karena  itu,  peneliti  berinisiatif  untuk merancang sebuah aplikasi pembelajaran menggabungkan  aplikasi  visualisasi  3D  dengan model  kotak  pasir  (sandbox)  untuk  mengajarkan konsep ilmu bumi. Kotak pasir augmented reality (AR)  memungkinkan  pengguna  untuk  membuat model topografi dengan membentuk pasir nyata, yang  kemudian  ditambah  secara  real  time  oleh peta warna elevasi, garis kontur topografi, dan air simulasi. Sistem ini mengajarkan konsep geografis, geologi,  dan  hidrologi  seperti  bagaimana membaca peta topografi, arti garis kontur, daerah aliran  sungai,  daerah  tangkapan  air,  tanggul,  dll. Adapun  tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  untuk mengembangkan  sistem  real  augmented  real- time  yang terintegrasi untuk menciptakan model topografi  secara  fisik  yang  kemudian  dipindai  ke komputer secara real time, dan digunakan sebagai latar  belakang  untuk  berbagai  efek  dan  simulasi grafis.  Produk  ini  akan  dapat  secara  mandiri  dan ideal untuk digunakan sebagai alat pembelajaran/pameran/peraga langsung di kelas, pameran  teknologi  maupun  dalam  proses pembelajaran tentang ilmu kebumian.

## METODE

## A. Tahapan Penelitian
Tahap Persiapan. Pada tahap ini dilakukan kajian teori dan implementasi teknologi AR pada beberapa  literature  yang  ada.  Menetapkan  studi kasus  sebagai  pembelajaran  rupa  bumi  dan merencanakan  peralatannya.  Selanjutnya  tahap Perencanaan. Pada tahapan ini adalah mendesain dimensi  media  dan  instrument.  Di  tahap  ini dilakukan pengukuran dimensi media disesuaikan dengan  ruang  kelas/lab.  Serta  dilakukan  survei peralatan  dan  spesifikasi  yang  tersedia  di  pasar. Selanjutnya  adalah  tahap  Instalasi.  Tahap  ini melakukan  instalasi  instrument  mulai  dari komputer  dan  setingnya  terdiri  dari  pengerjaan instalasi  OS  LINUX  MINT  versi  MATE  serta dilanjutkan instalasi Video Graphic dan Kinnect. Kemudian  tahap  berikutnya  adalah  Kalibrasi. Tahapan ini dilakukan dengan seting LCD Projector dan tahap kalibrasi sensor. Selanjutnya  dianalisis apakah model telah terbentuk dengan benar. Jika model  belum  terbentuk  dilakukan  seting  ulang dan  kalibrasi  kembali.  Dan  yang  terakhir  adalah tahap  Uji-Coba  dan  Pelaporan.  Jika  model  telah terbentuk  maka  dilakukan  uji-coba  terhadap bentuk  terrain  topografi  dari  tinggi/pegunungan
hingga  rendah/lembah  hingga  pemodelan  bentuk badan  air/danau/sungai.  Selanjutnya  dilakukan pembuatan  modul  pembelajaran  topografi  dan pelaporan.

## B. Data dan Peralatan
Bahan dan alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Hardware
a. Personal komputer/laptop
b. Motion Camera 360 0
c. Projector LCD
d. Kotak kayu dan Frame Aluminium
e. Pasir pantai putih halus
2. Aplikasi pendukung
a. OS Windows 10 dan Microsoft office 365
b. OS Linux Mint, C++, and OpenGL 3D
c. Software VRUI
d. Software ARSandbox 2.3

## C. Tahap Pengolahan Data
Tahapan pengolahan data yang dilaksanakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:
Gambar 1.  Diagram Alir Pengolahan Data
Berikut  adalah  penjelasan  diagram  alir  tahap pengolahan data :
1. Persiapan  komputer/laptop  dengan  spesifikasi Core-I5  dan  RAM  4  serta  kartu  grafis  Nvidia Geforce seri GTX.
2. Instalasi Linux Mint versi MATE.
3. Setelah  itu  dilakukan  instalasi  Vrui  VR  toolkit. Vrui  adalah  toolkit  pengembangan  perangkat lunak C ++ yang sangat interaktif aplikasi virtual reality,  dengan  fokus  pada  portabilitas  antara jauh  lingkungan  virtual  reality  yang  berbeda, dari laptop atau komputer desktop.
4. Lakukan input pada computer Kinnect sensor. Selanjutnya lakukan instalasi driver Kinnect.
5. Selanjutnya  instalasi  aplikasi  SARndbox. Sandbox  Augmented  Reality  adalah  aplikasi realitas yang ditambah memindai permukaan pasir  menggunakan  kamera  Kinect  3D,  dan memproyeksikan  real-peta  topografi  waktu diperbarui  dengan  garis  kontur  topografi, hillshading,  dan  simulasi  aliran  air  real-time opsional  kembali  ke  pasir  permukaan menggunakan  proyektor  yang  dikalibrasi. Paket  Sandbox  Augmented  Reality  berisi aplikasi  sandbox  itu  sendiri,  SARndbox,  dan utilitas  kalibrasi  untuk  mengukur  secara interaktif  transformasi  antara  kamera  Kinect yang  memindai  permukaan  sandbox,  dan proyektor memproyeksikannya ke atasnya.
6. Menginstal  semua  peralatan  pada  frame sandbox  yang  telah  dibuat  dan  terakhir meletakkan pasir kinetic pada boks
tempatnya.
7. Langkah terakhir adalah kalibrasi Kinnect dan kalibrasi projectornya. Jika berhasil maka akan didapatkan  output  berupa  penampakan  3 dimensi pada kotak pasir/sandbox.

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## A. Unit Alat
Dalam penelitian ini telah dibuat  seperangkat alat  yang  terdiri  dari  kotak  pasir,  tiang penyangga  dan  kaki  kotak.  Kotak  kayu  dibuat dengan bahan kayu kamper Kalimantan dibuat dengan  dimensi  90  cm  x  120  cm  x    25  cm. Adapun tiang penyangga dibuat dari aluminium profile dengan dimensi 4x4 cm dan 2x4 cm setinggi 2 meter. Untuk kaki kotak pasir dibuat  dengan  kayu  kamfer  juga  dengan dditambahi  roda  penggerak  disetiap  kakinya agar mudah saat alat ini dipindahkan.
Gambar berikut memperlihatkan kenampakan
dari frame alat ini.
Gambar 2.  Unit Frame Kotak Pasir dan Penyangga
B. Unit Sistem
Gambar 3.  Unit Sistem
Sistem yang terdiri dari komputer, sensor, projector dan  media  pasir  yang  memungkinkan  pengguna secara  visual  dapat  membuat  topographic  surface model  secara  real  time.  Sistem  ini  akan memperlihatkan degradasi warna karena
perbedaan  ketinggian,  bentuk  dan  kerapatan garis  kontur  serta  simulasi  gerakan  air  dimuka bumi.

## C. Analisa Sistem
Sistem  ini  dibangun  dari  komputer, dilengkapi  dengan  perangkat  lunak  simulasi  dan visualisasi  yang  kuat,  kamera  sensor  (sensor Kinect),  proyektor  data,  dan  kotak  pasir.  Untuk pengembangan perangkat lunak penggerak, para pencipta  menggunakan  alat  pengembangan  Vrui VR  dan  kerangka  pemrosesan  video  Kinect  3D. Top.AR  adalah  cara  yang  mengesankan  untuk menghadirkan  model  topografi.  Kualitas  terbaik dari  sistem  ini  adalah  bahwa  ketika  mengubah pasir  di  dalam  kotak,  pengguna  juga  mengubah isolines virtual dan pewarnaan hipometrik secara real time. Relief di kotak pasir menghitung ulang berdasarkan data kedalaman, yang dirasakan oleh kamera Kinect dan diproses oleh perangkat lunak setiap  saat.  Setelah  langkah-langkah  ini,  itu diberikan dari proyektor data di atas kotak pasir, yang menggambarkan bantuan virtual yang sangat cocok  dengan  lanskap  pasir.  Pengembang memberi  pengguna  yang  membuat  kotak  pasir mereka  sendiri,  opsi  untuk  menyesuaikan  skema warna  hipometrik,  sesuai  dengan  kebijaksanaan mereka.  Ini  dimungkinkan  karena  kombinasi beberapa shader.
Salah satu karakteristik khusus dari sistem ini  adalah  simulasi  air.  Berdasarkan  persamaan dari disiplin Dinamika Fluida, sistem menunjukkan apa  yang  dilakukan  air  setelah  jatuh  di  atas bantuan  setelah  hujan.  Sama  seperti  di  alam, massa  air  simulasi  mengikuti  bentuk-bentuk bantuan:  bergerak  dari  elevasi  tertinggi  ke terendah,  melaju  lebih  cepat  melalui  bentang alam yang curam dan terakumulasi dalam bentuk tertutup. Simulasi ini didasarkan pada
Gambar 4.  Visualisasi Top.AR
seperangkat persamaan air dangkal Saint-Venant yang "menggambarkan aliran di bawah
permukaan  tekanan  dalam  cairan".  Intensitas simulasi  hujan  dapat  dikontrol  melalui  menu perangkat  lunak  dan  ini  membantu  untuk melakukan  skenario  bencana  yang  berbeda. Kemampuan  sistem  untuk  mensimulasikan  air berguna  dan  penting  dalam  kasus  kami  ketika penjelasan  visual  tentang  keadaan  darurat  seperti hujan  lebat,  banjir  atau  bendungan  retak diperlukan.
Ide utama dari para pencipta adalah untuk mengembangkan  aplikasi  visualisasi  3D  yang  akan dipamerkan di museum untuk mengajarkan konsep utama geologi, hidrogeologi dan geografi, menggunakan augmented reality untuk menjelaskan beberapa istilah dalam disiplin ilmu ini. Tetapi  sebagai  tambahan  dari  sudut  pandang kartografi, ini juga merupakan cara yang baik untuk mengajarkan  siswa  cara  membaca  peta  topografi. Dari hasil penerapan alat ini sangat menarik untuk simulasi  bencana yang menawarkan skenario yang tak  terhitung  jumlahnya  dari  kasus-kasus  darurat tidak hanya untuk banjir tetapi bahkan untuk tanah longsor.

## D. Top.AR di Laboratorium Kadaster dan Kebijakan
Pertanahan – T. Geomatika ITS
Gambar 5.  Top.AR dan tim peneliti
TopAR  dibangun  di  Laboratorium  KKP  T. Geomatika ITS. Instruksi lengkap ada di situs Oliver Kreylos ( https://arsandbox.ucdavis.edu/forums/ topic/complete-installation-instructions/ ) kecuali proporsi  antara  bagian  integral  utama  dari  sistem. Namun demikian, untuk konstruksi khusus ini, kotak pasir Kreylos digunakan untuk prototipe tetapi kali ini  terbuat  dari  kayu.  Tidak  menjadi  masalah material  apa  yang  terbuat  dari  sistem.  Ada  juga banyak keputusan geometris. Satu-satunya hal yang harus dijaga adalah jarak antara proyektor, sensor, dan  kotak  pasir  agar  relief  virtual  diproyeksikan dengan benar di atas kotak.
Volume kotak pasir adalah 0,2 m 3 dan berisi 100  kilo  pasir  yang  secara  khusus  dipilih  untuk
memiliki  karakteristik  pantulan  tinggi.  Ini  adalah pasir  pantai  halus  putih  tanpa  campuran  kimia karena  harus  aman  untuk  digunakan  dari  anak- anak dan siswa. Perangkat lunak yang digunakan untuk  menggerakkan  loop  tertutup  komputer, proyektor dan sensor dikembangkan untuk sistem operasi  Linux  gratis  dan  didasarkan  pada  kode sumber terbuka (open-source).
Untuk  memberikan  proyeksi  akurat  dari isolines dan pewarnaan hipometrik pada lanskap pasir di kotak pasir, diperlukan kalibrasi. Tahap ini
Gambar 6.  Kalibrasi Top.AR
diperlukan  untuk  Top.AR  yang  berfungsi  dengan baik. Proses kalibrasi menyajikan registrasi pusat cakram putih yang ditempatkan secara berurutan di dua belas posisi di kotak pasir, diperlukan dan diarahkan  dari  perangkat  lunak.  Piringan  putih harus  ditempatkan  dalam  satu  titik  pada ketinggian  dan  satu  pada  elevasi  rendah  yang dirujuk membentuk rata-rata tingkat pasir. Tahap ini  dapat  berlanjut  sampai  ketepatan  yang diperlukan dari proyeksi terpenuhi. Dalam hal ini adalah  1,76  mm.  Proses  kalibrasi  harus  diulang secara  berkala  karena  konstruksi  Top.AR  sangat sensitif terhadap pengaruh eksternal.

## E. Minat dari siswa dan pakar
Karena  Top.AR  telah  dibangun  di Laboratorium  KKP  dan  telah  dicoba  para mahasiswa dan menunjukkan ketertarikan mereka  yang  besar  terhadapnya.  Demonstrasi karyanya  sering  menimbulkan  pertanyaan  dan diskusi  tentang  penggunaan  sistem  di  masa depan.  Berbagi  ide  dan  pengalaman  dengan peneliti  dan  kolega  asing,  membantu  kami memperluas  cakrawala  untuk  pengembangan lebih lanjut dan perbaikan di masa mendatang.

## KESIMPULAN
Dari  penelitian  ini  dapat  disimpulkan  sebagai berikut:
1. Telah  dibuat  seperangkat  alat  pembelajaran pemodelan  3  dimensi  permukaan    bumi (Top.AR) dengan berbasis teknologi Augmented Reality di Laboratorium KKP Departemen Teknik Geomatika ITS.
2. Dengan alat ini memungkinkan
mahasiswa/pelajar  akan  tertarik  mempelajari fenomena permukaan/surface karena
pembelajaran yang interaktif dan dalam bentuk model  3D.  Sehingga  sambil  belajar  topik  yang dipelajari  secara  tekstual  dalam  kuliah,  buku teks,  dan  bidang  datar,  mahasiswa/pelajar antusias karena menikmati pengalaman belajar dan  akan  merekomendasikan  penggunaannya di masa depan.
3. Manfaat  alat  ini  terlihat  dari  peningkatan pembelajaran  mahasiswa  dalam  mencoba melakukan  karena  model  terlihat  lebih  real sehingga meningkatkan minat serta keterlibatan para mahasiswa yang ditingkatkan dalam  menghubungkan  topik  yang  lebih kompleks dalam mempelajari ilmu bumi.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada LPPM- ITS  atas  pendanaan  sebagian  untuk  penelitian  ini. Dan  kepada Oliver Kreylos  dan tim dari UC.Davis  - W.M.  Keck  Center  yang  telah  mengembangkan ARSandbox  perangkat  lunak  dan  konsep  serta membagikan metode dan cara membuatnya secara open source.

## DAFTAR PUSTAKA
Duncan, R.G., and Rivet, A.E. 2013. Science learning progressions. Science, 339:396–397. East Carolina University (ECU).
Jenkins,  H.  S.,  R.  Gant,  and  D.  Hopkins  (2014), Shifting  sands  and  turning  tides:  Using  3D visualization technology to shape the environment  for  undergraduate  students, Abstract ED53B-3489 presented at Fall Meeting, AGU, San Francisco, Calif., 15–19 Dec.
Kreylos, O. 2015. The Augmented Reality Sandbox. University of California – UC Davis http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/SAR ndbox/index.html
Kuehn, S.C. 2012. The topographic sand box, a tool
for  improved  understanding  and  visualization of  topographic  maps.  Presented  at  the Geological Society of America Annual Meeting, Charlotte, NC.
Reed, S., Kreylos, O., Hsi, S., Kellogg, L., Schladow,
G.,  Yikilmaz,  M.B.,  Segale,  H.,  Silverman,  J., Yalowitz, S., and Sato, E., Shaping Watersheds Exhibit:  An  Interactive,  Augmented  Reality Sandbox  for  Advancing  Earth  Science
Education, American Geophysical Union (AGU) Fall  Meeting  2014,  Abstract  no.  ED34A-01 (2014)
Reed,  S.,  Hsi,  S.,  Kreylos,  O.,  Yikilmaz,  M.B., Kellogg,  L.H.,  Schladow,  S.G.,  Segale,  H.,  and
Chan,  L.,  Augmented Reality Turns  a  Sandbox into a Geoscience Lesson, EOS 97,
https://doi.org/10.1029/2016EO056135
(2016)
Terri  L.  Woods,  Sarah  Reed,  Sherry  Hsi,  John  A. Woods,1  and  Michael  R.  Woods.  2016.  Pilot Study Using the Augmented Reality Sandbox to Teach  Topographic  Maps  and  Surﬁcial Processes  in  Introductory  Geology  Labs. Journal Of Geoscience Education 64, 199–214.
Woods, T. L., J. A. Woods, and M. R. Woods (2015),
Using the Kreylos Augmented Reality Sandbox to  teach  topographic  maps  and  surficial processes in an introductory geology lab at East Carolina  University,  Geol.  Soc.  Am.  Abstr. Programs, 47(7), 111.