La Photogrammétrie dans le quotidien d’une fouille : l’exemple des chantiers du laboratoire ASM

Ces dernières années, la photogrammétrie s’est fait une place de choix sur les chantiers archéologiques, tant sur les fouilles préventives que programmées, et l’histoire de son utilisation a connu plusieurs étapes.

Une première période a été marquée par la cohabitation entre une certaine défiance envers cet outil qui semble déposséder l’archéologue d’une partie de son savoir-faire et une sorte de surexploitation de ce nouvel outil « magique ». L’utilisation intensive alimentait évidemment la défiance.

Nous sommes ensuite entrés dans une phase d’ajustement dont nous ne sommes pas totalement sortis. Il a d’abord été nécessaire :

  • de déterminer les limites du procédé,
  • de chercher les meilleurs rapports « moyens/résultats »,
  • d’établir des protocoles adaptés aux spécificités et aux problématiques de chaque site et en même temps capables de réinjecter l’indispensable regard de l’archéologue dans le relevé.

Aujourd’hui, la photogrammétrie est encore rarement utilisée comme support quasi-exclusif de relevé. C’est pourtant le choix que nous avons fait sur plusieurs chantiers de notre laboratoire “Archéologie des Sociétés Méditerranéennes” à Montpellier.

Mais comment faisait-on « avant » ?

Le relevé traditionnel fonctionne suivant les principes suivants :

On réalise d’abord un enregistrement de points de repères avec des outils de mesure, puis on les reporte dans un système orthonormé. Ce semis de points, plus ou moins dense, est généralement emboîté dans un ou plusieurs autres semis de points plus lâches, relevés avec des outils de topographie et géoréférencés dans un système de coordonnées géographiques donné.

Entre chacun de ces points de calage mesurés (par exemple triangulés à partir des points de calage mesurés par un topographe), on réalise un dessin par extrapolation « à l’œil », parfois grâce à une grille de relevés, parfois à l’aide de photographies verticales « rectifiées » pour faire correspondre les points de calages observés sur la photo aux coordonnées de ces points.

Des coupes, théoriques ou réelles, des élévations ainsi que des points de nivellement permettent de « penser » la troisième dimension.

Concrètement, cela implique une prise de mesure longue et fastidieuse (mais qui permet de de rester en contact avec le terrain) ainsi que la disponibilité régulière d’appareils de mesure de type station totale ou DGPS. Par ailleurs, cela nécessite de faire des choix de relevés (que choisit-on d’enregistrer ?) que l’on peut parfois regretter et sur lesquels il n’est pas possible de revenir mais qui demeurent toutefois une première étape vers l’analyse. Enfin, cette méthode peut aussi engendrer des erreurs humaines.

Comment fait-on maintenant ?

Dans un souci d’efficacité, de simplicité d’usage et d’uniformisation des relevés au sein de notre laboratoire, nous avons mis en place un protocole de relevés photogrammétriques. Nous avons conçu un kit de relevés en 5 exemplaires que nous mettons à disposition des responsables des chantiers du laboratoire ASM. Ils sont composés d’une canne à pêche dite « au coup » de 11 m, d’un appareil photo compact à focale fixe et pourvu d’un intervallomètre, d’un balancier pour amortir les mouvements et d’un étrier pour y attacher l’appareil photo, d’un jeu de 24 cibles géocodées imprimées sur PVC, et d’un mode d’emploi très détaillé.

Fig. 1 : le contenu d’un « kit relevé » (© S. Sanz-Laliberté)
Fig. 2 : Extrait du mode d’emploi fourni avec le « kit relevé » (© S. Sanz-Laliberté)

Les cibles sont réparties autour des zones fouillées, si possible clouées sur des emplacements préservés de manière à ce qu’elles ne bougent pas pendant toute la durée de la fouille. En choisissant judicieusement leurs positions, on peut s’épargner d’avoir à relever des points l’année suivante. On peut également  prévoir un petit décaissement pour les enterrer en fin de fouille. Les coordonnées de ces cibles sont relevées très précisément (si possible au tachéomètre) en x, y et z une fois pour toutes. Grâce à l’appareil photo fixé sur la perche (la canne à pêche) par l’intermédiaire du balancier, l’opérateur réalise un lot de clichés verticaux qui couvrent l’intégralité de la zone à relever avec un recouvrement important entre les photographies (de 80 à 90%). Il peut faire autant de passages que nécessaires, chaque fois qu’il a besoin de réaliser un relevé. Il doit simplement veiller à ce que son jeu de photographies comprenne au minimum trois repères différents, représentés chacun sur au minimum trois à quatre images.

La chaîne opératoire est diversement prise en charge par les archéologues sur le chantier : certains délèguent l’intégralité des traitements au topographe qui lui fournit ensuite les documents de travail. D’autres préparent sur le terrain les fichiers qui seront traités, de retour de mission, avec les machines puissantes du laboratoire. Certains, de plus en plus nombreux, grâce au gros travail de formation réalisé dans ce sens, sont totalement autonomes dans les traitements, une fois les procédures adaptées à leur chantier mises en place.

Fig. 3 : Pêche à l’image (© C. Carrato)
L’intérêt du relevé photogrammétrique

Une fois les traitements réalisés, le logiciel de photogrammétrie (dans notre cas, Agisoft Metashape, anciennement appelé Photoscan) permet de réaliser directement un certain nombre d’actions très utiles, comme calculer des distances, des  surfaces et des volumes mais également prendre des mesures en 3D extrêmement utiles et difficiles à réaliser sur le terrain ou sur un plan, par exemple dans les sépultures où l’on peut souhaiter mesurer des os qui ne sont pas déposés à plat.

Fig. 4 : Calcul du volume de la citerne de la domus de Rirha, Maroc (Mission Rirha -UMR5140-ASM), Dir. E. Rocca, C. Carrato, M. Kbiri Alaoui, A. Ichkhakh. (© S. Sanz-Laliberté)
Fig 5 : Mesure d’un os long en place, nécropole de l’île de Maguelone (Dir. C. Raynaud, UMR 5140-ASM) (© S. Sanz-Laliberté)

L’outil permet de générer très facilement des profils du terrain.

Fig 6 : profils du chantier de la domus de Rirha au 11 mai 2017 (Mission Rirha-UMR 5140-ASM) (© S. Sanz-Laliberté)

Le logiciel produit des orthophotographies et des Modèles Numériques d’Élévation (MNE), parfaitement rectifiés et géoréférencés. Ils sont le support de la numérisation des vestiges, préférentiellement réalisée dans un logiciel d’information géographique (type ArcGIS ou QGIS). On peut réaliser aussi bien le pierre-à-pierre que les plans-masses.

Fig 7 :Orthophotographie, MNE, pierre-à-pierre (réalisé sous système d’information géographique), plan-masse dont chaque fait est relié à son enregistrement dans une base de données. Domus de Rirha, Maroc (Mission Rirha-UMR 5140-ASM). (© S. Sanz-Laliberté)

Ils  permettent également d’enregistrer une mémoire, un  « film » de la fouille enregistrant le déroulé précis des actions entreprises sur le terrain.


Fig 8 : Gif animé des relevés d’altitudes de la fouille d’al-Arid, Mission Archéologique de Bāt/al-Arid, Sultanat d’Oman (Dir. C. Castel, CNRS, Laboratoire Archéorient)

Les orthophotographies et les cartes de profondeurs verticales (élévations ou coupes stratigraphiques) peuvent être exportées à l’échelle voulue pour être numérisées dans des logiciels de DAO.

Fig 9 : Élévation nord du temple de Gaujac, Gard : orthophotographie et carte des profondeurs (Dir. S. Boularot, UMR 5140 ASM)(© S. Sanz-Laliberté)

L’altitude de chaque pixel (avec une résolution subcentimétrique) est accessible très facilement dans un SIG (à partir des données du MNE). On peut par ailleurs produire très rapidement un semis de points d’altitude, qui pourra être affiché dans le plan.

Une fonction du logiciel permet de recomposer des stratigraphies virtuelles, à partir des profils de chaque modèle.

Fig 10 : Profils superposés des photogrammétries du dépôt du Cailar, Gard (Dir. R. Roure, UMR 5140-ASM) (© S. Sanz-Laliberté)

Il est bien sûr possible de sélectionner des parties des orthophotographies ou des modèles numériques d’élévation et de les assembler afin de réaliser des modèles 3D de vestiges « phasés » alors qu’ils n’ont pas été fouillés de manière synchrone et qu’ils n’ont jamais été visibles en même temps sur le terrain.

Ce qu’on ne peut pas (et ce qu’il n’est pas souhaitable de) faire :

La chaîne opératoire n’est évidemment valable qu’à condition de prendre la photogrammétrie pour ce qu’elle est, c’est-à-dire un formidable instrument de mesure qui ne dispense absolument pas de réaliser un relevé archéologique, c’est-à-dire un dessin interprétatif des vestiges qui définit chaque entité spatialement, qui l’identifie et qui la décrit. L’orthophotographie est le support parfait pour réaliser cette opération qui doit évidemment être menée le nez sur le terrain.

Fig 11 : Montage orthophotographique et Modèle d’Elévation de l’état « artisanal » de la domus de Rirha à partir de modèles de différentes années (Mission Rirha-UMR 5140-ASM). (© S. Sanz-Laliberté)

Deux solutions sont possibles : la première consiste à dessiner sur les orthophotographies elles-mêmes, ce qui implique que les traitements soient réalisés très rapidement   ̶  dans une même journée ou du jour au lendemain  ̶  puis imprimés (des essais sur tablette sont en cours de réalisation). Si le traitement rapide n’est pas réalisable, il est aussi possible de dessiner sur des photographies verticales encore non traitées (éventuellement assemblées). Lors de la mise au net, on travaillera dans tous les cas sur les orthophotographies.

Qu’est-ce que la photogrammétrie change dans l’organisation d’une fouille ?

C’est d’abord un énorme gain de temps sur le terrain, qui permettra de se consacrer à bien d’autres tâches.

C’est aussi un gain d’informations très important qui permet de repérer des éléments qu’on avait pu manquer au cours de la fouille, éventuellement parce qu’on ne les avait pas compris et enregistrés.

La photogrammétrie génère une information de plus en plus précise, avec la constitution de nouvelles données qu’il était difficile, voire impossible, de collecter auparavant, notamment s’agissant de microtopographie.

Et dans l’avenir ?

Cette chaîne est parfaitement opérationnelle mais n’est cependant pas encore totalement satisfaisante car il existe un facteur limitant dans le flux de travail. En effet, si la photogrammétrie nous permet de réaliser des  modèles 3D très précis, pour les traiter, nous produisons, par habitude et par manque d’autres outils, des documents 2D (des coupes et des plans). C’est dommage car on perd de l’information au passage. Il nous manque donc encore un outil simple qui nous permette de réfléchir et d’enregistrer directement et entièrement en 3D. Nous sommes nombreux à penser qu’il s’agit de la prochaine révolution du monde du relevé en archéologie.

L’auteur

Séverine Sanz-Laliberté est assistante ingénieur en Archéologie au CNRS. UMR 5140 – ASM – Archéologie des Sociétés Méditerranéenne, Montpellier.

Pour citer ce billet : Séverine Sanz-Laliberté. La Photogrammétrie dans le quotidien d’une fouille : l’exemple des chantiers du laboratoire ASM, ArchéOrient - Le Blog, 28 juin 2019, [En ligne] https://archeorient.hypotheses.org/12321

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