Tutorial Pemodelan Niche dan Distribusi menggunakan software ArcGIS dan MaxEnt PDF

Preview

Summary

Tutorial Pemodelan Niche dan Distribusi (Niche & Distribution Modelling) menggunakan software ArcGIS dan MaxEnt Summary dari Workshop MaxEnt – Post Congress Training Program Indonesian Primate Symposium & Congress 2019 Jurusan Kehutanan, Universitas Muhammadiyah Malang, Indonesia oleh: Luhur...

Description

Tutorial Pemodelan Niche dan Distribusi (Niche & Distribution Modelling) menggunakan software ArcGIS dan MaxEnt Summary dari Workshop MaxEnt – Post Congress Training Program Indonesian Primate Symposium & Congress 2019 Jurusan Kehutanan, Universitas Muhammadiyah Malang, Indonesia oleh: Luhur Septiadi Email: [email protected]

A. Terkait software MaxEnt dan ArcGIS serta kegunaannya

(Sarker et al., 2019)

Kebutuhan yang tinggi akan pemetaan dan pemodelan distribusi habitat suatu spesies dewasa ini, menstimulus hadirnya banyak model dan software baru yang semakin modern dan kompleks. MaxEnt sebagai salah satu software berbasis pendekatan maximumentropy dalam pemodelan niche dan distribusinya, merupakan program yang saat ini tergolong paling sering digunakan. Dengan hanya memanfaatkan beberapa set data lingkungan dan titik perjumpaan yang terbatas, software ini mampu memodelkan probabilitas distribusi spesies spesifik sesuai dengan kondisi lingkungannya. Input data yang digunakan MaxEnt adalah data spasial berupa Raster (pixelated) dilengkapi dengan lokasi koordinat perjumpaan spesies. Dalam pemodelannya, penentuan distribusi berdasarkan maximum entropy harus mempertimbangkan adanya asumsi yang sama untuk setiap karakter yang digunakan (dari environmental layers). Perlu diketahui bahwa MaxEnt akan efektif digunakan dalam skala global (misal: skala pulau besar), untuk spesies yang spesifik (habitatnya yang telah terfragmentasi, atau terisolir) dan memiliki kecenderungan habitat yang khusus. Dengan terbatasnya data yang digunakan, kemudian dianalisis melalui algoritmanya, MaxEnt mampu menghasilkan model niche dan distribusi yang memiliki validitas yang tinggi, tidak kalah dengan software lainnya. Penggunaan MaxEnt tidak lepas

Tutorial Pemodelan Niche dan Distribusi (Niche & Distribution Modelling) menggunakan software ArcGIS dan MaxEnt

dari platform penganalisis data spasial, yaitu ArcGIS. Dengan Graphical User Interface yang informatif dan relatif mudah untuk dipelajari, banyak peneliti dan praktisi yang telah menggunakan aplikasi ini. B. Persiapan sebelum Running Dalam running kali ini, akan diprediksi distribusi dari spesies ular Trimeresurus puniceus (Bandotan Pohon) berdasarkan perjumpaannya di pulau Jawa, menggunakan beberapa variabel lingkungan yang kemungkinan akan mempengaruhi.

1. Aplikasi yang digunakan Beberapa aplikasi yang digunakan telah tersedia di Internet secara gratis dan dapat diunduh. Aplikasi yang digunakan yaitu ArcGIS dan MaxEnt, pastikan Bahasa pemrograman Java telah di-update karena MaxEnt merupakan tools berbasis Java. Installer dapat ditemukan di folder “Application_Installer” dan instal sesuai petunjuk. 2. Preparasi File Data Spasial yang digunakan dalam analisis merupakan data Raster (pixel) dan Vector (line). Dalam analisis, diperlukan titik perjumpaan yang telah tersedia pada folder “Occurrence_Point” berupa file berekstensi .xls dan .csv dan variabel lingkungan yang digunakan tersedia pada folder “Environmental_variable” berupa file berekstensi .tif dan .shp. Titik perjumpaan didapatkan dari hasil penandaan langsung, sedangkan variabel lingkungan dapat diunduh dari website seperti USGS dll.

C. Pengolahan Environmental variable Dalam pengolahan variabel lingkungan, akan dicontohkan dengan penggunaan variabel ketinggian, dan elevasi. Untuk variabel lainnya bisa diulang dengan mengikuti langkah yang telah dijelaskan sebagai berikut. 1. Menyatukan Spatial Data a. Data Raster (.tif) Pertama, dimasukkan data spasial berupa ketinggian, untuk kemudian digabungkan menjadi satu. Buka ArcMap 10.3 – Klik File – Klik New – Pilih Blank Map – Klik OK.

Tutorial Pemodelan Niche dan Distribusi (Niche & Distribution Modelling) menggunakan software ArcGIS dan MaxEnt

Kemudian di-input data spasial. Pada Panel Table of Contents di sebelah, klik kanan pada Layers – Klik Add Data – Klik Connect to Folder – Cari direktori variabel ketinggian pada “Variable_test” folder – pilih folder “elevation” – Pilih semua dengan tekan Ctrl + Shift + blok seluruh file berekstensi .tif – Klik Add – Muncul raw spatial data ketinggian pada workspace.

Tutorial Pemodelan Niche dan Distribusi (Niche & Distribution Modelling) menggunakan software ArcGIS dan MaxEnt

Kemudian data spasial di-Raster menjadi satu file yang utuh. Pada Panel Toolbar pada bagian paling atas, klik Search (Ctrl + F) – Muncul Panel Search – Ketikkan secara manual “Mosaic to New Raster” pada tab pencarian – Pilih tools paling atas – muncul dialog box Mosaic to New Raster - klik ikon sebelah kanan (Browse) pada tab Input Rasters – pilih semua - Klik Add.

Tutorial Pemodelan Niche dan Distribusi (Niche & Distribution Modelling) menggunakan software ArcGIS dan MaxEnt

Pada tab Output location, dipilih direktori yang sama dengan folder variabel yang digunakan, Klik ikon sebelah kanan (Browse) – Klik Tab Look in Folder Connections – Pilih direktori yang sama – Klik Add.

Tutorial Pemodelan Niche dan Distribusi (Niche & Distribution Modelling) menggunakan software ArcGIS dan MaxEnt

Pada tab Raster Dataset with name extension, “elevation_Java.tif” (ditulis sekaligus dengan ekstensi filenya).

diketik

Pada tab Spatial Reference, klik ikon sebelah kanan – muncul dialog box Spatial Reference Properties - pada tab XY Coordinate System, Pilih Geographic Coordinate Systems – Pilih World – Pilih WGS 1984 – Klik OK.

Pada tab Pixel type dipilih 8_BIT_UNSIGNED – Pada tab Number of Bands diketik 1, sesuai aturan default dalam analisis MaxEnt - Klik OK – Tunggu proses hingga selesai di Background, sampai muncul dialog box Raster Success – Resolusi “elevation_Java.tif” dihasilkan pada Panel Table of Contents. Sisa potongan resolusi .tif, yang lainnya bisa di-remove dengan cara Klik kanan - Pilih Remove.

Tutorial Pemodelan Niche dan Distribusi (Niche & Distribution Modelling) menggunakan software ArcGIS dan MaxEnt

Warna dapat dirubah dengan di klik panel warna – Pilih warna yang disukai pada Color Ramp. Metode lainnya dengan cara Klik kanan Layers – Pilih Properties – diatur dalam Symbology.

Hal yang sama dilakukan pada data spasial kemiringan (inclination), dengan langkah yang sama persis seperti diatas. Untuk mempermudah mengorganisir, kelompokkan data spasial ketinggian dan kemiringan dengan blok kedua layer variabel pada Panel Table of Contents – Klik Kanan - Pilih Group – Beri nama “unmasked_environmental_variable” karena variabel masih belum di mask atau di potong dengan lokasi cakupan wilayah spesies (data vector .shp). Untuk meringankan kerja dari workspace, hilangkan cek (unchecked) pada “unmasked_environmental_variable” layer, agar tidak ditampilkan dan proses kerja workspace menjadi lebih ringan.

Tutorial Pemodelan Niche dan Distribusi (Niche & Distribution Modelling) menggunakan software ArcGIS dan MaxEnt

b. Data Vector (.shp) Pertama. dimasukkan, shape file Pulau Jawa secara keseluruhan. Pada Panel Layer of Contents – Klik Kanan pada Layers – Klik Add Data – Klik Connect to Folder – Cari direktori shapefile dari Pulau Jawa pada “Variable test” folder – Pilih folder “Java_Shapefile” – Pilih “Java_WGS84_Buff10km.shp” – Klik Add – Muncul shapefile Pulau Jawa pada workspace. Peta sudah ditambahkan margin selebar 10 km kearah laut sebelumnya, untuk menghilangkan bias apabila titik terlalu dekat dengan garis pantai.

2. Masking variable berdasarkan cakupan keberadaan Dalam proses masking (pemotongan) data variabel lingkungan dengan data shapefile harus mempertimbangkan bahwa semua layer yang digunakan dalam analisis MaxEnt memiliki resolusi dan setting-an yang sama. Oleh karena itu penting digunakan data dengan resolusi tinggi, karena apabila resolusinya tidak

Tutorial Pemodelan Niche dan Distribusi (Niche & Distribution Modelling) menggunakan software ArcGIS dan MaxEnt

sama, maka layer yang memiliki resolusi tinggi harus menyesuaikan layer dengan resolusi yang paling rendah (downgrade). Dalam analisis ini digunakan variabel ketinggian sebagai tolak ukur resolusi. Untuk hal tersebut maka, pada Panel Toolbar paling atas, Klik Search (Ctrl + F) – Muncul Panel Search – Ketikkan “Extract by Mask” – Pilih tools paling atas, kemudian muncul dialog box Extract by Mask – Pada tab Input Rasters pilih “inclination_Java.tif” (sebagai layer yang dipotong) – Input raster or feature mask data dipilih “Java_WGS84_Buff10km” (sebagai layer pemotong) – Pada tab Output Raster, dibuat direktori folder yang baru yang bisa diletakkan pada Folder Tutorial – Beri nama folder dengan “Output_file_test”.

Pada opsi environment setting (bawah) – Expand Processing Extent – Klik Extent – Pilih Same as layer “elevation_Java.tif”

Tutorial Pemodelan Niche dan Distribusi (Niche & Distribution Modelling) menggunakan software ArcGIS dan MaxEnt

Kemudian pilih Raster Analysis – Expand Raster Analysis – Klik Cell Size, apabila nilainya semakin kecil, maka proyeksi akan semakin detail, vice versa – Pilih Same as layer “elevation_Java.tif”, pada tab Mask menggunakan data elevasi sebagai tolak ukur – Klik OK – Klik OK lagi pada Extract by Mask dialog box - Tunggu proses yang berlangsung di background hingga selesai, dan memakan waktu agak lama sesuai besar resolusi yang digunakan.

Hal yang sama dilakukan pada variabel lingkungan ketinggian (elevation), dengan langkah yang sama seperti diatas. Untuk mempermudah mengorganisir, kelompokkan data spasial ketinggian dan kemiringan yang sudah di-masking dengan cara blok kedua layer variabel pada Panel Table of Contents – Klik Kanan Pilih Group – Beri nama “masked_environmental_variable” karena variabel sudah di mask atau di potong dengan lokasi cakupan wilayah spesies (data vector .shp). Untuk meringankan kerja dari workspace, hilangkan cek (unchecked) “masked_environmental_variable” layers, agar tidak ditampilkan dan dapat bekerja lebih ringan.

Tutorial Pemodelan Niche dan Distribusi (Niche & Distribution Modelling) menggunakan software ArcGIS dan MaxEnt

3. Konversi data Dalam analisisnya, MaxEnt hanya akan memproses file berekstensi .asc (ASCII). Berdasarkan variabel lingkungan berekstensi .tif yang telah di-masking, hasil file kemudian di-convert. Pada Panel Toolbar pada bagian paling atas, Klik Search (Ctrl + F) – Muncul Panel Search – Ketikkan manual “Raster to ASCII” pada tab pencarian – Pilih tools paling atas – muncul dialog box Raster to ASCII – pada tab Input Raster, Expand, dan pilih variabel lingkungan “inclimaskJava.tif” yang telah di-masking – pada tab Output ASCII raster file, klik Browse dan simpan pada direktori folder yang baru dengan nama folder “output_file_test_asc” di dalam “Output_file_test” direktori – Buka folder – Beri nama pada filename tab dengan ”inclimaskJava” – Jangan lupa pada tab Save as type sebagai .asc – Klik Save – Klik OK – Tunggu hingga proses selesai, memakan waktu agak lama sesuai besar resolusi yang digunakan.

Tutorial Pemodelan Niche dan Distribusi (Niche & Distribution Modelling) menggunakan software ArcGIS dan MaxEnt

Hal yang sama dilakukan pada variabel lingkungan ketinggian (elevation), dengan langkah yang sama seperti diatas. File berekstensi .asc dapat dilihat pada output folder yang telah diatur tadi.

D. Pengolahan dan Konfirmasi Occurrence Point Sebelum diolah ke dalam MaxEnt, perlu dikonfirmasi terlebih dahulu kesesuian koordinat yang akan digunakan, apabila terdapat data yang ganjil/ tidak sesuai. Untuk data perjumpaan, telah tersedia pada folder ”Occurrence point”. Di dalam folder tersebut, terdapat dua file kordinat berformat .xls Workbook 97-2003 (untuk konfirmasi titik di ArcGIS) dan .csv Comma Delimited (untuk dianalisis di MaxEnt). Pastikan format penulisan koordinat telah sesuai dengan gambar dibawah, karena setiap komputer memiliki setting default yang berbeda.

Kemudian, kembali kedalam ArcMap 10.3 dengan project yang sama – Di-input koordinat – Buka Panel Catalog di sebelah kiri – Pilih Connect to Folder – Cari direktori folder yang berkordinat dan berekstensi .xls – Cari “Sheet3$” pada folder direktori – Pilih “Occurrence_arcGIS.xls” – pilih “Sheet3$” dan drag ke workspace.

Tutorial Pemodelan Niche dan Distribusi (Niche & Distribution Modelling) menggunakan software ArcGIS dan MaxEnt

Kembali Ke Panel Table of Content di sebelah kiri – Diurutkan berdasarkan List by Source – Pada direktori yang tadi sudah ditentukan, akan muncul “Sheet3$” – Klik Kanan – Klik Display XY Data – Pastikan data telah menggunakan Geographical Coordinat System GCS_WGS_1984 – Klik OK – Konfirmasi titik Penemuan pada workspace.

Tutorial Pemodelan Niche dan Distribusi (Niche & Distribution Modelling) menggunakan software ArcGIS dan MaxEnt

Terdapat satu titik yang tidak sesuai, titik ini bisa diabaikan, dimana nanti dalam prosesnya akan dihapus ketika analisis MaxEnt, atau bisa dihapus kordinat yang dimaksud secara manual pada .csv atau .xls filenya, dengan melihat kordinat yang salah dengan menggunakan Open attributes.

Proses preparasi variabel lingkungan sudah selesai, dengan didapatkannya output file berekstensi .asc. Pada dasarnya, langkah-langkah yang digunakan sama untuk variabel-variabel lainnya. Namun untuk keefektifitasan dalam pemodelan, disediakan variabel lingkungan yang bisa dilihat pada “Environmental_variable/ Variable_Ready” folder. E. Analisis MaxEnt Dalam analisis MaxEnt, pertama disiapkan data spasial berupa variabel lingkungan yang tersedia pada “Preparation_File/ Environmenta_variable/ Variable_Ready”, dan data perjumpaan yang tersedia pada folder “Occurrence_Point” dengan kordinat berupa file berekstensi .csv. Untuk memudahkan dalam analisis, Copykan seluruh file tadi ke dalam satu folder yang baru, pada “Folder Tutorial” dengan nama “MaxEnt_Analysis”.

Tutorial Pemodelan Niche dan Distribusi (Niche & Distribution Modelling) menggunakan software ArcGIS dan MaxEnt

Untuk memudahkan, Copy-kan extract file dari MaxEnt ke dalam folder yang sama juga.

Jalankan MaxEnt, dengan membuka “maxent.jar” – Muncul dialog box Maximum Entropy Species Distribution Modeling – Pada tab Samples pada panel sebelah kiri, pilih file koordinat berekstensi .csv – Klik Browse – Cari direktori “MaxEnt_Analysis” – Pilih “Occurrence_maxent.csv” – Klik Open – Informasi terkait koordinat telah masuk pada tools MaxEnt.

Selanjutnya, pada tab Environmental layers pada panel sebelah kanan, pilih file variabel lingkungan berekstensi .asc yang telah di masking sebelumnya – Klik Browse – Cari direktori “MaxEnt_Analysis” – Pilih folder tersebut – Klik Open - Secara otomatis file dengan ekstensi .asc masuk pada tab environmental layers pada tools MaxEnt.

Tutorial Pemodelan Niche dan Distribusi (Niche & Distribution Modelling) menggunakan software ArcGIS dan MaxEnt

Sebagai parameter dalam membaca analisis - Centang Create response curves – Centang Make picture of prediction – Centang Do jackknife to measure variable importance – pada tab Settings, ditentukan Random Test Percentage sebesar 25 (25 %) sebagai validasi metode jackknife – Tentukan Output directory pada folder yang sama, “MaxEnt_Analysis” – Klik Run – Apabila muncul dialog box error, itu dikarenakan oleh titik kordinat yang berada diluar layer, Klik OK untuk mengabaikan – Tunggu proses sampai selesai.

Tutorial Pemodelan Niche dan Distribusi (Niche & Distribution Modelling) menggunakan software ArcGIS dan MaxEnt

Hasil analisis dapat dilihat pada folder output “MaxEnt_Analysis”, Summary dari analisis dapat dilihat pada “Trimeresurus_puniceus.html”, Untuk pengolahan plot lebih lanjut di arcGIS, dapat menggunakan “Trimeresurus_puniceus.asc”, untuk setiap hasil dari parameter yang digunakan dapat dilihat pada folder “plots”.

F. Membaca Analisis & Troubleshooting MaxEnt Dalam membaca analisis pada “Trimeresurus_puniceus.html”, hasil pemodelan dapat dilihat pada Pictures of Model, dimana probabilitas distribusi ditampilkan (kemungkinan distribusi spesies tinggi [merah] dan distribusi spesies rendah [biru]).

Beberapa parameter yang sering digunakan untuk mengecek validitas metode meliputi Analysis of omission/Commission, Response Curve, dan Analysis of variable contributions. a. Analysis of omission/Commission Pada grafik dibawah, terdapat beberapa garis yaitu Ommision on training samples (biru), Ommision on test samples (biru muda) dan Predicted Ommision

Tutorial Pemodelan Niche dan Distribusi (Niche & Distribution Modelling) menggunakan software ArcGIS dan MaxEnt

(Hitam). Secara mudahnya, Ommision rates (baik training maupun test samples) harus mendekati pada garis Predicted omission. Semakin dekat kedua garis pada Predicted omission, maka semakin valid data yang ditampilkan.

Untuk mengamati lebih lanjut, dapat dilihat pada grafik Receiver Operating Characteristics (ROC). Dalam grafik ini ditampilkan informasi mengenai AUC. Standar minimum data yang valid yaitu Random Prediction (AUC = 0.5), dimana nilai AUC pada Training (merah) dan test data (biru) menunjukkan nilai yang tinggi, mengindikasikan prediksi yang presisi. Apabila nilai AUC training dan test data berada di bawah 0.5, maka kemungkinan data yang digunakan terlalu banyak serta kebanyakan data tidak menunjukkan preferensi tertentu. Nilai AUC yang rendah bukan berarti menunjukkan ketidak-valid-an data, namun karena nilainya yang tidak lebih dari random (sampling acak). Perlu diperhatikan bahwa MaxEnt efektif digunakan untuk analisis distribusi spesies spesifik, spesies yang terfragmentasi, dan memiliki preferensi lingkungan yang khusus. Dalam hal ini, prediksi ditribusi spesies Trimeresurus puniceus tergolong baik.

b. Response Curve Kurva pada parameter ini menunjukkan bagaimana setiap variabel lingkungan mempengaruhi prediksi Maxent. Pada parameter ini, terdapat dua bagian kurva, yaitu

Tutorial Pemodelan Niche dan Distribusi (Niche & Distribution Modelling) menggunakan software ArcGIS dan MaxEnt

bagian atas yang menunjukkan parameter yang dependen dan dipengaruhi satu sama lain, dan bagian bawah yang menunjukkan parameter yang independen tidak dipengaruhi oleh parameter lainnya. Dalam membaca kurva, akan dicontohkan pada Response Curve dari parameter elevation. Dari kurva tersebut, dapat disimpulkan bahwa rentang distribusi Trimeresurus puniceus berada pada rentang elevasi 200-3000, dengan kemungkinan tertinggi distribusi spesies pada elevasi 1500.

c. Analysis of variable contributions Tabel ini memberikan informasi mengenai kontribusi dari setiap parameter terhadap prediksi Maxent. Dari tabel tersebut, dapat disimpulkan bahwa elevasi, tutupan pohon ketika kemarau, dan presipitasi ketika musim hujan dan musim kemarau, memberikan kontribusi yang tinggi terhadap distribusi Trimeresurus puniceus. Lebih detailnya mengenai keterakaitan dari setiap variabel dijelaskan dalam jackknife test dari variable importance.

Ketiga kurva sebenarnnya mengindikasikan hasil yang kurang lebih mirip. Pada Jacknife of AUC for Trimeresurus_puniceus, dapat disimpulkan bahwa variabel lingkungan dengan pengaruh tertinggi ketika digunakan independen yaitu tutupan

Tutorial Pemodelan Niche dan Distribusi (Niche & Distribution Modelling) menggunakan software ArcGIS dan MaxEnt

pohon ketika kemarau (tree_cover_dry), dan memiliki informasi yang penting bila digunakan sendiri. Begitu pula variabel lingkungan yang paling berkurang pengaruhnya apabila dihilangkan yaitu tutupan pohon tadi, yang mana menunjukkan informasi yang penting dan absen pada variabel lainnya. Pengaruh ini dapat dilihat pada Percent Contribution dan Permutation importance dengan nilai yang tinggi.

UCAPAN TERIMAKASIH Ucapan terimakasih diberikan kepada Panitia Workshop MaxEnt – Post Congress Training Program Indonesian Primate Symposium & Congress 2019 “Pemodelan Distribusi Spesies & Aplikasinya dalam Konservasi Primata Indonesia” dan Jurusan Kehutanan Universitas Muhammadiyah...