La photogrammétrie, une technique au service des archéologues

Dans le cadre des activités de l’incubateur méthodologique d’Archéorient, une demi-journée de présentations et de débats a eu lieu le 16 octobre dernier à Lyon ; nous avions invité Séverine Sanz (laboratoire ASM de Montpellier) à présenter l’usage de la photogrammétrie pour l’enregistrement des chantiers de fouille, et Carine Calastrenc et François Baleux (laboratoire TRACES de Toulouse) pour leur pratique de numérisation des objets avec la même technique. La photogrammétrie se répand en effet rapidement dans de nombreux champs de l’archéologie. Efficace, fiable et économique, sa mise en œuvre est relativement simple et elle peut être investie pour traiter des objets variés une fois sa maîtrise acquise par l’utilisateur, qui n’a nul besoin d’être expert.

Inventée au XIX^e s., la photogrammétrie repose sur le même principe que la vision humaine qui enregistre deux images depuis deux points distincts (nos deux yeux) pour évaluer la distance des objets. La parallaxe obtenue par des photos d’une scène acquises selon différents points de vue permet d’obtenir des mesures de coordonnées en trois dimensions. Abondamment utilisée tout au long du XX^e s., en particulier pour l’établissement des cartes topographiques à partir des photographies aériennes des territoires, les techniques de mises en œuvre étaient toutefois complexes, faisaient appel à un matériel coûteux et étaient réservées aux spécialistes ; elles évoluent peu jusqu’à l’orée des années 2010 où apparaît la photogrammétrie à corrélation dense d’images, marquant une révolution des usages. Le grand nombre de photos utilisées permet d’estimer des paramètres autrefois indispensables mais difficiles à acquérir comme l’altitude de l’avion et sa trajectoire ; les contraintes de prise de vue sont assouplies, un bon appareil photo du marché domestique – de la gamme « compact expert » en particulier – donne d’excellents résultats et les logiciels sont d’un maniement aisé. La technique, économique, s’ouvre alors à de nombreux utilisateurs.

Notre expérience débute en 2012 à Adam en Oman (Mission archéologique française en Oman) où nous devions produire le relevé archéologique et topographique d’une nécropole s’étendant sur 6 hectares. Il fut réalisé comme nous en avions l’habitude à l’aide d’un GPS différentiel ; nous avions également disposé une centaine de cibles afin de géoréférencer une cinquantaine de photos aériennes acquises par cerf-volant. Les outils de géoréférencement classiques sous SIG nous permettaient alors d’ajouter une couverture aérienne à notre relevé, mais au prix d’un long travail fastidieux qui n’empêchait pas les imperfections.  Ce jour-là, nous disposions donc des données brutes nécessaires pour réaliser un test du logiciel Photoscan. Dire qu’il fut convaincant serait un euphémisme : non seulement nous avions obtenu une orthophotographie géométriquement juste, à la différence de nos anciennes couvertures aériennes géoréférencées, mais le Modèle Numérique de Surface (MNS) produit offrait une description topographique beaucoup plus détaillée que celle réalisée à partir des données GPS (fig. 1). Une quinzaine de cibles étant suffisantes pour réaliser le modèle photogrammétrique, les 80 restantes nous permirent de contrôler le MNS et l’orthophotographie : l’erreur quadratique moyenne (RMS) ne dépassait pas les 6 centimètres ! La photogrammétrie, dont la mise en œuvre nous surprit par sa facilité et son efficacité, apportait une énorme plus-value à nos photos au cerf-volant.

La technique fut donc adoptée rapidement et nous avons mis en place progressivement un protocole adapté. Pour la prise de vue, un canevas théorique de déplacement et de déclenchement régulier conduit à ce que chaque point de la scène apparaisse sur 6 photos verticales (plus exactement, nadirales) prises à la même altitude. En pratique, une couverture un peu moins régulière, des photos légèrement obliques et dont l’altitude varie quelque peu n’empêchent pas d’obtenir d’excellents résultats. Le nombre de photos peut varier en fonction de l’étendue du terrain et de la résolution souhaitée ; entre 100 et 200 photos pour une scène constitue le plus souvent un bon compromis. Avant cette phase de prise de vues, il est nécessaire d’avoir dispersé régulièrement sur l’ensemble du terrain 10 à 15 cibles de taille adaptée. De la précision de leurs coordonnées dépend la précision des documents obtenus. Nous avons effectué des contrôles à de nombreuses reprises depuis notre expérience à Adam. Nous obtenons régulièrement une exactitude de 2 à 3 centimètres pour des terrains pouvant varier de 1 à 10 hectares, parfois davantage. Cette qualité, le plus souvent supérieure à celle requise, s’explique à la fois par la mise en place du protocole et par les progrès du logiciel depuis 2012.

En géomatique, la photogrammétrie permet donc d’obtenir à la fois l’orthophotographie et le MNS. Pour ce dernier, il existe des algorithmes de classification permettant d’éliminer arbres et arbustes de la surface. Lorsqu’ils sont clairsemés, ce qui est le plus souvent le cas sur nos terrains, on obtient alors un Modèle Numérique de Terrain (MNT). Parmi d’autres programmes, nous avons investi la technique dans le cadre du projet Globalkites (cf. Billet O. Barge. 2012) (par exemple, Barge et al. 2016) portant sur les mégastructures de chasse que sont les kites. Ainsi, pour chaque kite étudié sur le terrain, on dispose d’une description fine du relief local, très utile puisque l’on sait maintenant que l’utilisation des accidents topographiques est une stratégie mise en œuvre par les constructeurs. Le MNT haute résolution a permis, entre autres analyses spatiales, des calculs de visibilité permettant d’expliquer le positionnement de l’entrée des pièges (fig. 2).

Les documents sont par ailleurs mis à profit sur le plan cartographique. Le MNT permet d’extraire des courbes de niveau ; le résultat est si fin, chaque courbe contournant les moindres saillies du modelé, que nous sommes conduits le plus souvent à généraliser ces courbes pour une meilleure lisibilité (fig. 3). L’orthophotographie est quant à elle utilisée pour identifier et vectoriser certains éléments qui entrent dans la scène : routes et pistes ou constructions modernes, qui sont ainsi positionnées sur la carte de façon précise. Concernant les éléments naturels (zones de végétation, thalwegs, affleurement rocheux…) l’identification depuis l’orthophotographie est non seulement plus facile, mais leur vectorisation sur l’ordinateur (fig. 3) offre un gain de temps substantiel. En revanche, il est important à notre sens de continuer à relever les vestiges architecturaux sur le terrain.

C’est en effet une des limites de la photogrammétrie que l’on doit garder en tête. Les documents produits sont souvent spectaculaires, d’un très grand réalisme. Ils pourraient, si l’on n’y prend garde, conduire au mirage de disposer du terrain sur son ordinateur. Cet écueil n’est d’ailleurs pas propre à la photogrammétrie mais concerne toutes les techniques de numérisation à distance (photographie, lasergrammétrie, lidar…). La techno-frénésie – à laquelle il nous est arrivé de succomber – plutôt que l’analyse raisonnée des objectifs peut conduire à remplir des disques durs pour obtenir des documents, certes esthétiques, mais sans grande utilité scientifique. Le terrain reste nécessaire. La parfaite compréhension des vestiges, et donc la pertinence de leur relevé, procèdent de la prise en compte de détails variés et multiples (changement de végétation, couleur du sol, alignements perçus en perspective, éléments partiellement masqués par des éboulis…), d’une expérience du factuel, inaccessible à l’écran. En revanche, la lecture du MNT ou de l’orthophotographie, par un point de vue différent, permet d’identifier des indices qui établissent une complémentarité avec ceux du terrain. L’ensemble d’une construction et ses détails sont mis en cohérence par des perceptions différentes. Les démarches d’aller-retour entre terrain et images sont souvent très fécondes.

La photogrammétrie trouve également une grande utilité pour d’autres usages que celui du relevé archéologique et topographique à l’échelle d’un site. Il nous est arrivé de l’employer à l’échelle du chantier de fouille (fig. 4), mais nous laisserons Séverine Sanz, dans un prochain billet, nous faire partager son expérience. Ponctuellement, nous l’avons également utilisée pour modéliser des constructions de petite taille, comme une tombe. Dans le domaine de l’archéologie funéraire, la photogrammétrie est utilisée par les anthropologues pour enregistrer la position des corps (Chimier & Badey, 2017). Elle est également d’un grand intérêt en archéologie du bâti. La modélisation des bâtiments permet d’utiliser les modèles dans des logiciels de modélisation 3D, alors que l’orthophotographie des façades sert de support précis au report des faits et à leur classement chronologique (Hors-Série du CRAHN de décembre 2018). Des expériences ont également montré la pertinence de la technique pour l’enregistrement dans le MNS des fines incisions des gravures rupestres. A l’échelle de l’objet, François Baleux et Carine Calastrenc nous présenterons prochainement la fiabilité de la technique et sa pertinence. Emmanuelle Régagnon et Stoil Chapkansky ont de leur côté expérimenté avec succès le relevé photogrammétrique en milieu subaquatique (un billet paraîtra bientôt également). En géo-archéologie, la photogrammétrie permet d’obtenir rapidement des orthophotographies des plans de coupes ; une expérience prometteuse de réalisation de carte géomorphologique en appui sur le MNT et l’orthophotographie (figure 5) a été conduite récemment dans le cadre du mémoire de master de Camille Ollier, encadré par Michel Rasse (Ollier, 2018).

Ces exemples, loin d’être exhaustifs, montrent combien la photogrammétrie est pertinente dans de nombreux domaines et peut participer à nos travaux. Économique et géométriquement très fiable, elle demande un investissement technique qui apparaît d’autant plus limité qu’il peut être réinvesti pour le traitement de sujets divers ; les contraintes de la prise de vues varient d’un sujet à l’autre, mais le traitement, pour l’essentiel, reste le même. Elle apporte une autre lecture à une connaissance acquise avant tout sur site.

Modèle Numérique de Surface (MNS) en Une du billet : E. Régagnon

Bibliographie

Méthodes de relevé numérique en archéologie et en architecture : applications, Hors-série du bulletin du CRAHN, 8 décembre 2018.

Barge, O., Brochier, J.É., Deom, J.-M., Sala, R., Karakhanyan, A., Avagyan, A. & Plakhov, K. 2016. The “desert kites” of the Ustyurt plateau. Quaternary International 395: 113-132. doi:10.1016/j.quaint.2015.06.010.

Chimier J.-P., Badey S., 2017, Outils géomatiques et levés photogrammétriques pour l’enregistrement et l’interprétation des dépôts funéraires. Quelques exemples appliqués à l’ensemble 1 de la nécropole de La Haute Cour à Esvres (France, Indre-et-Loire). Solenn de Larminat; Rémi Corbineau; Alexis Corrochano; Yves Gleizes; Jean Soulat. Rencontre autour de nouvelles approches de l’archéologie funéraire, Gaaf, pp.223-233, Publication du Gaaf, 6.

Ollier C., 2018, Pour un usage des photographies aériennes à basse altitude. Exemple de la méthode appliquée dans le cadre de la mission Peuplements Humains et Paléoenvironnements en Afrique de l’Ouest 2018, dir. Michel Rasse, Mémoire de M1, ENS de Lyon / Université Lyon 2.

L’auteur

Olivier Barge est Ingénieur de Recherche au CNRS. Géographe et cartographe, il est membre de l’UMR 5133-Archéorient, basé à l’antenne de Jalès.

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