Entretien : La photogrammétrie, une alliée de l’archéologie préventive

Pourquoi l’Inrap forme-t-il ses archéologues à la photogrammétrie?

En 2016, Sylvie Eusèbe (chargée de l'image, du dessin et de l'infographie à l’Inrap) a lancé un programme de formation en photogrammétrie à destination des topographes. La photogrammétrie est une technique de relevé que l’on peut utiliser au quotidien sur les chantiers. Comme les topographes n’interviennent que ponctuellement, il fallait que d’autres agents soient formés à cette technique pour en développer l’usage. La photogrammétrie s’est démocratisée depuis une dizaine d’années. La puissance croissante des ordinateurs, le développement rapide des logiciels l’ont rendue très accessible. Ce succès est dû aussi à l’aspect « magique » de la modélisation en 3D et de la photogrammétrie qui permettent de retrouver un site archéologique en volume et de le visiter quand on en a envie !

Sur quel principe général repose la photogrammétrie ?

Aujourd’hui, que ce soit avec un appareil photo haut de gamme ou un simple smartphone et les logiciels adaptés, on peut facilement calculer un modèle en trois dimensions. Cependant, dans le domaine scientifique, on a besoin d’un modèle qui respecte quelques règles fondamentales.
Au-delà de la 3D, la photogrammétrique, c’est l’enregistrement de toutes les données métriques d’une scène ou d’un objet sur un site. La scène est un terme générique désignant un espace ouvert ou fermé dont on a du mal à définir les limites, à la différence de l’objet qui est circonscrit. La scène est souvent fixe, une cave, un boyau de mine, une nécropole ou l’intérieur d’un temple, et on s’y déplace, alors que l’objet est mobile, on le manipule en laboratoire ou en studio photo. En photogrammétrie, il faut prendre des photographies sous des angles différents et couvrir complètement la scène ou l’objet. Ces photographies vont reproduire ce que nos yeux et notre cerveau font naturellement. Nos yeux, légèrement écartés, voient la même scène mais sous un angle légèrement différent et ce petit décalage est corrigé par notre cerveau pour reproduire une seule et même scène avec tous ses volumes. On s’en rend compte, lorsqu’ayant un objet en face de soi, on ferme un œil puis l’autre. L’œil droit distingue mieux certaines parties de l’objet, et quand on ouvre les deux yeux, on voit tout simultanément : c’est le travail du cerveau. La photogrammétrie repose en partie sur ce principe. L’appareil photo prend plusieurs images pour couvrir toute la scène, et l’ordinateur analyse et compile ces images pour produire un modèle en trois dimensions.

Quelles sont les règles de prise de vue à respecter pour créer un modèle juste?

Une de ces règles est le recouvrement d’une photo à l’autre, soit environ 80% , afin que le pixel qui est sur la première, se retrouve sur la deuxième et la troisième photographie pour que le logiciel fasse ses calculs correctement. Pour du linéaire, un mur ou une façade, la prise de vue démarre à un point A et se décale à chaque prise de vue, de manière à avoir un pourcentage de recouvrement de 80%, jusqu’à un point B au bout de la façade ou du mur. Si le recouvrement est insuffisant, certains logiciels chercheront à combler les manques et créeront un modèle faux du point de vue scientifique.
Si la scène est plus compliquée, un bâtiment public ou une église, on en fera le tour en insistant sur les angles, pour que le logiciel fasse le lien entre une façade et une autre. Le logiciel analyse chaque image, dans laquelle chaque pixel a une position qu’il a calculée (fig. 01, fig. 02).

Il va déterminer par triangulation les points communs entre l’image A et l’image B. Si sur l’image A, il a trouvé tel groupe de points et sur l’image B, le même groupe de points, il va essayer de calculer à quel endroit ce groupe de points se trouve sur l’image C et ainsi de suite, autant de fois qu’ils se répètent. Il va calculer les décalages entre l’image A et l’image B et estimer la position en trois dimensions, dans un volume, de ce petit groupe de points. Avec la triangulation, on se trouve dans un système en trois dimensions, ou  chaque point aura des coordonnées relatives X, Y et Z,  mais ni l’échelle, ni la position géographique, ni l’orientation ne sont connus à ce stade. C’est là qu’on entre dans le domaine du topographe.

En quoi consiste le travail du topographe? Qu’apporte-t-il à la photogrammétrie?

Le topographe enregistre des points qui auront chacun une valeur en Latitude, en Longitude et en Altitude (fig. 03, fig. 04). Ces points permettront de restituer tous les éléments du chantier et de comprendre leurs positions géographiques les uns par rapport aux autres. Ce que le topographe apporte à la photogrammétrie, c’est cette partie métrique et cette mise à l’échelle sans lesquelles on reste dans un espace en trois dimensions, mais non en photogrammétrie. Il existe des règles de recouvrement, de matériel à utiliser, de réglages des appareils photo, des protocoles de prise de vue, de respect de la lumière, mais aussi des règles topographiques pour construire ces canevas de points qui permettent le géoréférencement des modèles et leur donnent une valeur métrique. La topographie doit pouvoir garantir la justesse des points et leur bonne dispersion. Sinon, on risque d’avoir un retour d’erreur de la part du logiciel. La photographie et la métrique ne vont pas l’une sans l’autre.

Qu’est-ce qui différencie le document photogrammétrique de celui produit par le topographe ?

Le document photogrammétrique final permet de fournir un plan appelé aussi orthophotographie ou ortho-image. Sur le terrain, le relevé topographique consiste à enregistrer les vestiges sur un plan à l’aide d’un tachéomètre. L’autre possibilité, pour plus de précision, est de dessiner manuellement les vestiges puis de les repositionner, grâce à la topographie, dans un plan général (fig. 05). Ainsi, un fossé de 50 ou 100 m de long sera dessiné à l’aide du tachéomètre en relevant des points tout du long. Un empierrement, un mur, une sépulture seront dessinés sur du papier-calque ou du papier millimétré en relation avec les positions géographiques relevées sur le terrain par le topographe, de manière à ce que chaque vestige puisse s’intégrer dans le plan général.

La photogrammétrie permettra de produire une ortho-image riche en informations, elle sera l’équivalente d’un plan, positionnée sur le plan général. Le mur dessiné à la main peut alors être dessiné à partir de l’image. C’est le plus de la photogrammétrie. Elle produit une archive plus riche qu’un plan. Le dessin peut oublier certains détails quand à  la photo, elle souffre de sa perspective. L’ortho-image combine la justesse du relevé et l’objectivité d’une photo pour générer une archive plus riche. C’est une réalité totale où sont intégrées la réalité photographique et la réalité métrique (Fig. 06).  On pourra également enrichir le plan a posteriori, même une fois le vestige détruit, ce que l’on n’aurait pas pu faire avec les autres techniques de relevés.

Est-ce que la photogrammétrie est un gain de temps pour le travail du topographe ?

Il y a un piège à éviter. Ne perdons pas de vue le temps de la compréhension du vestige, de la description qu’on en faisait pendant le temps du dessin, des choix, des interprétations. En photogrammétrie, tout peut être très rapide et on ne bénéficie plus de ce temps-là. Si on n’a pas pris le temps de comprendre les vestiges sur le terrain ou de chercher les détails à coups de truelle, on peut perdre beaucoup d’informations. Il faut donc voir la photogrammétrie comme une façon de prendre du temps pour l’analyse, sur le terrain et en post-fouille, et non plus uniquement pour l’enregistrement métrique. Ainsi, le temps que l’on gagne en relevé, on peut l’utiliser pendant la fouille pour comprendre le vestige. Sur le terrain, l’archéologue procède à des allers-retours entre le vestige et son enregistrement et il ne peut plus le faire en post-fouille. Quand on dessine, sur une feuille millimétrée ou sur une ortho-image imprimée on va s’assurer de certains éléments sur le terrain. Comme les relations stratigraphiques par exemple. C’est le petit coup de truelle qui va permettre de trancher. Ne l’oublions pas. (fig. 07)

Qu’est-ce que le MNE ?

Le modèle numérique d’élévation est une représentation graphique des altitudes qu’il peut y avoir sur un terrain. Chaque pixel de l’image a une valeur en altitude. Une fois le nuage de points et le géoréférencement effectué, on peut obtenir une représentation graphique montrant par une gradation de couleurs les différences d’altitude entre les vestiges présents dans la scène (fig. 08). Le MNE permet de restituer des profils, de montrer ce qui est au-dessus et en dessous et d’analyser différemment les vestiges selon leur altitude. Si on relève un caniveau ou un fossé, le MNE permettra de visualiser très rapidement le sens de la pente, l’existence de mouvements de terrain, ou comment un mur bien vertical a pu s’incliner. Bien sûr, le relevé topographique peut aussi le faire, mais si beaucoup de vestiges présentent cette problématique de pendage, la photogrammétrie fera gagner du temps et de la finesse dans la prise de données, en outre elle enregistrera des informations que l’on n’aurait pas forcément enregistrées autrement. Si on applique le MNE à un épandage de silex, on obtiendra la position en altitude de chaque silex, leur dispersion dans les couches stratigraphiques et leur pendage. Les silex sont-ils à plat ? Penchent-ils d’un côté ou d’un autre ? Plus largement, ces indices favorisent l’analyse du site : est-il en place, est-il en pente depuis l’origine, est-on sur une zone de travail, de rejet, etc. ?

La photogrammétrie révèle-t-elle des éléments que l’on ne verrait pas lors de la fouille ?

La photogrammétrie permet une vue générale et zénithale des vestiges. Ce n’est pas nouveau. On le fait depuis plusieurs décennies à plus grande échelle avec la photographie aérienne. Ainsi, un bâtiment en pierres sèches détruit apparaît au niveau du sol comme un amas de cailloux informe. La seule vision du sol peut être trompeuse, avec la photogrammétrie, j’obtiens une image zénithale métriquement juste sur laquelle je perçois des alignements, des angles, ou une action anthropique, ce qui permet d’établir des stratégies de fouilles (fig. 09). En archéologie rurale, sur de vastes superficies, les fossés vus du ciel à partir de drones peuvent apparaître déformés par le capteur, par exemple de manière courbe si l’on a fixé une GoPro sur un drone. Le calcul photogrammétrique restituera le tracé du vestige. On peut programmer un drone pour faire une bonne prise de vue, lui dire où aller et combien de photos il doit prendre, à différentes altitudes, tout en gérant le pourcentage de recouvrement (80 %). Une flotte de drone a été achetée par l’Inrap et une formation de pilote est désormais dispensée aux topographes. Le drone est bien commode en élévation, pour faire le tour d’un rempart sur sa partie la plus haute par exemple. Sans drone, il aurait fallu travailler sur des échelles ou installer un échafaudage, avec le drone on travaille en sécurité et sans abîmer le vestige.
La photogrammétrie peut aussi être très utile dans des espaces étroits et obscurs où l’on manque de recul pour observer la scène. Elle est aussi adaptée aux objets difficiles à manipuler, comme les meules à grain. On ne manipule la meule que deux fois pour faire le relevé photogrammétrique . Le modèle est alors très facile d’utilisation sans avoir à déplacer l’objet et peut être envoyé à un(e) spécialiste n’importe où dans le monde.

Y a-t-il des règles particulières à respecter pour la prise de vue photogrammétrique dans les espaces étroits ?

La lumière joue un rôle capital dans la prise de vue, notamment pour que les photographies soient correctement calculées par le logiciel. Une faible lumière peut engendrer des « bougés » (pixels flous) et/ou des « bruits » (pixels parasites) qui auront pour conséquence un mauvais calcul par le logiciel. Pour pallier le manque de lumière, on utilise un éclairage homogène constitué d’une ampoule dans un ballon gonflé, qui donne une lumière diffuse et évite les ombres portées trop violentes. Par exemple, un pilier éclairé par une lumière  homogène, aura une ombre portée très légère. Un éclairage directionnel, du type flash ou lampe torche, créerait lui une ombre très forte derrière le pilier et les détails seraient perdus pour le calcul. (fig. 10)

En pratique, pourriez-vous expliquer brièvement les grandes étapes d’un travail photogrammétrique ?

Je vais prendre l’exemple du site de Noisy-le-Grand, une grande nécropole médiévale allant du VI^e  au  XI^e siècles, où je gère la photogrammétrie et la mise en place de la topographie.

La première étape de mon travail consiste à créer des « cibles », dispersées de façon régulière sur le terrain. Ce sont mes points topographiques, disposés autour de la scène ou de l’emprise. Ces points extérieurs sont mes points principaux, ceux dont je sais qu’ils ne bougeront pas au cours de la fouille. Ce sont eux qui me servent à obtenir le positionnement géographique, pour faire le géoréférencement. Le logiciel disposant des coordonnées géographiques de ces points va orienter le modèle correctement lui donner une position géographique et une échelle. Une fois ces points créés, la fouille peut commencer et chaque fois que l’on atteint un élément à enregistrer, je réalise les photos nécessaires avec le bon recouvrement, pour que le logiciel puisse ensuite trianguler correctement les points dans l’espace.
Par exemple, je prends quatre photos d’un crâne qui se décalent légèrement, à 80 % de la surface de recouvrement. L’ordinateur triangulera la position du crâne, par rapport à un caillou, un poteau ou un autre objet, et il donnera un premier résultat visuel sur la position relative de ces points, dans les trois dimensions de l’espace en x, en y, et en z . (fig. 11)

Ces estimations restent relatives : c’est toujours un point par rapport à son voisin. On ne peut pas faire de mesure tant qu’il n’y a pas de positionnement géographique Une fois que j’ai fait ce premier calcul qui a pour nom « aérotriangulation », je vérifie la position des caméras et de chaque prise de vue. Chaque rectangle bleu est une prise de vue, avec l’angle estimé. On constate une régularité dans les vues. Il y a une série verticale , une série à 45° et une série plus basse. qui fait le tour de la sépulture et une toute petite série en bas où l’on entre presque dans la sépulture et qui va donner des informations précises (le nombre de dents par exemple), ou montrer les parois des sarcophages, quand ils existent. Une fois que j’ai fait cette vérification visuelle, que je considère que le logiciel a bien calculé et positionné les points sans rien oublier, je suis sûr que l’enregistrement est bon et je peux continuer la fouille, même si je n’ai pas assuré le traitement jusqu’au bout. Cette étape est fondamentale, je dois tout de suite construire ce document qui est la première marche dans l’élaboration du modèle en trois dimensions. (fig. 12)

Pour la suite, je reste dans le même logiciel pour cette fois informer mes « cibles ». Le topographe va relever en topographie toutes mes cibles avec son tachéomètre stationné à un endroit stratégique. Il va me fournir un fichier de points, avec le nom de la cible, 3D01 jusqu’à 3Dn, et les valeurs de ses points en x, en y et z. Sur le terrain, on descend progressivement au cours de la fouille, mais pas forcément au même rythme. On peut être sur le sol 1 sur une zone du chantier et déjà sur le sol 3 dans une autre, mais grâce à mes relevés, je pourrais dans un second temps tout raccorder, vérifier si les sols sont au même niveau, s’il y a un pendage particulier, si un pendage s’est inversé. Cela suppose des campagnes régulières de relevé en topographie « simple » et en photogrammétrie. (fig. 13) Grâce aux cibles qui sont installées tout autour de l’emprise, je peux travailler en relative autonomie, d’autant que l’on se trouve sur une petite surface.

J’en reviens à mon premier nuage de points. Je l’associe aux cibles topographiques qui m’ont été données par le topographe. Pour ce faire je clique sur l’image et je fais le lien entre le pixel et sa valeur en x, y et z, et cela pour l’ensemble des points qui couvrent la zone. Lorsque les cibles sont renseignées, le logiciel propose un rapport d’erreur, qui est le décalage entre sa construction géométrique et la topographie. Je dois m’assurer que ce décalage est satisfaisant. Dans le cas contraire je compléterai mon relevé avec de nouvelle photos ou de nouveaux points. Je pourrais alors prévenir mes collègues que l’on peut démonter et aller en dessous.

Une fois ce premier nuage de points géoréférencée, et nettoyé je demande alors au logiciel de le densifier. Ma documentation est alors prête pour l’étude. C’est ce nuage dense que l’on archive et qui devient le document scientifique de référence. (fig. 14)

Mon relevé est complet, mais le modèle n’est pas finalisé. Il s’agit d’un nuage de points et non d’une image en 3 dimensions. je passe par une nouvelle étape que l’on appelle le maillage. (fig. 15) Il faut regrouper les points dans une structure filaire. Par exemple, si le logiciel reconnaît dans un espace un certain nombre de points qui ont une cohérence entre eux, en termes d’altitude et de position dans l’espace, il les regroupe. Quand j’ai ce maillage, je demande au logiciel d’aller chercher sur les photos des morceaux pour les plaquer sur cette surface et donner un effet photo réaliste, une texture. Ce n’est pas un document scientifique à proprement parler, mais le modèle texturé permettra de travailler plus confortablement. (fig. 16)

La photogrammétrie a-t-elle aussi un intérêt pour le grand public ?

La restitution fait partie de la chaîne opératoire de l’archéologie. Pour parler aux gens de certains indices infimes, on a besoin de les restituer par un croquis, un pastel, une reconstitution 3D. La photogrammétrie apporte un peu d’interactivité et c’est un atout pour toucher le public. Notre modèle 3D nous permet de réaliser des espaces virtuels et de proposer une nouvelle approche de l’histoire et des vestiges archéologiques. La reconstitution photogrammétrique rend visible les sites même lorsqu’ils ont disparu ou qu’ils sont incompréhensibles sans l’interprétation de l’archéologue. Ainsi, dans la nécropole de Noisy-le-Grand, on sait grâce à nos analyses qu’il y avait des allées, et les pollens et graines nous disent qu’elles étaient plantées de chênes. C’est invisible à l’œil nu, mais on peut reconstituer une image proche de cet état et la rendre plus concrète pour le public.

Le projet de Noisy-le-Grand est-il un projet pilote?

La première saison de la fouille programmée et de l’application de la photogrammétrie a eu lieu en juin 2018. Nous souhaitions développer ces outils pour la recherche, mais aussi pour la médiation et la valorisation. Nous sommes en cœur de ville et nous voulions mettre l’archéologie au coeur de leur quotidien et  laisser un témoignage aux habitants. La nécropole sera fouillée pendant trois ans. Notre projet qui s’intitule « La nécropole numérique » consistait à relever en intégralité les vestiges présents sur le site en photogrammétrie, et de tester jusqu’au bout cette dimension numérique de l’enregistrement archéologique, « sans crayon, ni papier ». (fig. 17) C’est un projet mené avec deux collègues de l’Inrap, Christelle Seng, responsable d’opération et référente SIG et Cyrille Le Forestier, anthropologue et responsable de la fouille programmée. Nous avons choisi la nécropole de Noisy-le-Grand, parce que nous cherchions un champ restreint de vestiges pour tester cette méthode, et être sûr d’arriver au bout. Cette méthode, dorénavant éprouvée, pourrait servir pour tous types de chantier, en particulier dans le domaine de l’archéologie préventive.