Introduction de la photogrammétrie sur la fouille de Tell el-Iswid

Histoire et définition

La photogrammétrie, à l’intersection de la photographie et de la géométrie perspective, voit le jour à la fin du XIXe siècle avec Aimé Laussedat, côté français. Elle est initialement utilisée pour des relevés architecturaux, puis dans le domaine de la cartographie aérienne, notamment avec l’Institut national de l’information géographique et forestière (IGN). Au fil du temps, ces applications se sont progressivement élargies à des secteurs variés tels que l’industrie, le patrimoine ou encore la police scientifique⁷.

Cette technique permet d’effectuer des mesures dans une scène ou sur un objet en utilisant l’angle de parallaxe obtenu entre des photographies prises sous des angles différents. La parallaxe peut être définie comme le changement apparent de position d’un objet selon le point de vue de l’observateur. Son principe est comparable à certains aspects de la vision humaine. En effet, l’écart entre nos yeux nous permet de percevoir la même scène avec un léger décalage de point de vue. Ces deux images sont ensuite traitées par notre cerveau, qui les combine pour former une seule image et nous permet ainsi de percevoir les volumes et la profondeur. Ce phénomène nous permet de déduire la position et la taille des différents éléments. C’est ce phénomène de stéréoscopie qui est reproduit informatiquement par la photogrammétrie en deux étapes : la construction géométrique d’un modèle tridimensionnel à partir des photographies et une mise à l’échelle ou un géoréférencement de la scène grâce à des points de référence connus.

Les outils numériques, de plus en plus présents dans notre société depuis 20 ans, ont largement contribué à démocratiser l’utilisation de la photogrammétrie, notamment le passage de la photographie argentique aux capteurs numériques, ainsi que les capacités grandissantes des ordinateurs et les algorithmes de calcul en constante évolution. Aujourd’hui, il est devenu facile de réaliser la numérisation tridimensionnelle d’un objet à l’aide d’un appareil photographique numérique et d’une bonne maîtrise des principes fondamentaux de la technique photogrammétrique.

L’acquisition

Une acquisition photogrammétrique de qualité doit répondre à certaines conditions pour être scientifiquement exploitable.

La première étape, fondamentale, consiste à préparer la mise à l’échelle du modèle tridimensionnel. Pour cela, il est nécessaire de disposer d’un nombre suffisant de cibles autour de l’objet à modéliser. Les distances entre ces cibles doivent être parfaitement maîtrisées ou enregistrées par un topographe, en particulier dans le cadre d’un géoréférencement. La seconde étape concerne la couverture photographique, qui doit répondre à plusieurs critères, dont le recouvrement entre les photos. Ce recouvrement doit être suffisamment important (environ 80 %) afin d’assurer une restitution précise des détails de la scène ou de l’objet à enregistrer. Cette phase est cruciale. En effet, chaque projet nécessite un protocole de prise de vue spécifique, élaboré en fonction des objectifs définis en amont. La qualité et la précision du modèle 3D, ainsi que la quantité d’informations qu’il sera possible d’en extraire, dépendent directement de cette couverture photographique.

D’autres critères influencent également la qualité du modèle 3D. Dans la mesure du possible, il est recommandé de choisir des appareils photographiques dotés d’un capteur de grande taille et d’une optique fixe de qualité. La résolution des clichés est directement liée à la précision des calculs photogrammétriques. De plus, il est essentiel de tenir compte des conditions d’éclairage. La lumière doit être suffisante pour éviter les flous et le bruit dans les images. Elle doit également être stable et homogène afin de minimiser les problèmes d’ombres portées et de garantir un rendu suffisamment détaillé. Enfin, le choix du logiciel utilisé pour la création du modèle joue un rôle important, car il permettra un meilleur contrôle des différentes étapes du calcul.

Les outils

Il existe différents logiciels de traitement qui fonctionnent de manière similaire, avec plus ou moins de transparence dans les phases de calcul.

Le logiciel que nous utilisons pour les traitements photogrammétriques est Metashape, développé par la société Agisoft. Bien que son interface soit claire et fonctionnelle, ses réglages par défaut nécessitent parfois des ajustements pour obtenir une documentation scientifique rigoureuse.

À ce jour, le recours à des logiciels gratuits et open source pour la photogrammétrie reste encore prématuré. Le logiciel MicMac reste difficile d’accès sans une bonne maîtrise de l’outil informatique, bien que des interfaces plus ergonomiques soient en cours de développement. Le logiciel AliceVision, avec son interface graphique Meshroom, offre une interface plus avancée, mais ne permet pas encore de géoréférencer les modèles. Quant au logiciel gratuit CloudCompare, bien qu’il permette de travailler avec un nuage de points dense et de réaliser des profils complexes, il nécessite un certain nombre de manipulations supplémentaires, comportant un risque de perte du géoréférencement ou de déformation des documents générés.

Le traitement

Lors de la première étape, l’aérotriangulation, le logiciel analyse chaque image indépendamment, puis les compare entre elles. Il identifie des pixels communs, appelés points homologues. Ces points permettront de calculer, par triangulation, la position de chaque prise de vue dans un espace 3D relatif. Le résultat obtenu est un premier nuage de points, servant à vérifier la qualité de l’acquisition photographique. À ce stade, on peut intégrer les points d’appui (cibles utiles au géoréférencement du modèle) en les identifiant dans un nombre donné de photos, afin de contrôler le décalage entre la géométrie du nuage de points et le levé topographique. Ce contrôle précède la génération du nuage dense, qui sera la source principale de la documentation scientifique nécessaire à l’étude spatiale des vestiges. Ce nuage est une projection de plusieurs millions de points dans l’espace tridimensionnel, créée par l’aérotriangulation et le géoréférencement.

D’un côté le nuage permet de calculer un modèle numérique d’élévation (MNE), une représentation raster du relief de la scène, selon un plan donné. Chaque pixel du raster contient la position géographique (longitude, latitude) d’un point de la scène, ainsi que sa valeur en altitude. Ce MNE permet l’édition de profils et la création d’ortho-images, c’est-à-dire des vues de la scène selon un plan donné, sans déformation liée à la perspective ou à la parallaxe. Ces ortho-images peuvent être imprimées, interprétées, décrites et commentées, à l’instar d’une minute de terrain réalisée manuellement. Ainsi à Tell el-Iswid, les rasters sont chaque jour importés dans QGIS pour y être numérisés. Le plan général de la fouille est ainsi enrichi en temps réel.

D’un autre côté, le nuage dense permet de réaliser un maillage plus ou moins détaillé, selon le niveau de précision souhaité. Ce maillage produit une surface composée de plusieurs polygones qui restituent le relief et permettent l’application d’une texture, donnant ainsi au modèle 3D un aspect photo-réaliste. Ce document est particulièrement utile pour l’archéologue, lui permettant de visualiser de nouveau la fouille lors de la phase d’étude. Le modèle photogrammétrique permet en effet d’enregistrer dans un seul document l’aspect du sujet traité, son volume ainsi que ses dimensions. Il devient ainsi possible de réaliser de nombreuses observations visuelles ou métriques directement sur le modèle en trois dimensions, même si le sujet n’est plus disponible pour l’observation physique (fig. 1). On voit là tout l’intérêt pour l’archéologie, science destructive par définition, et d’un caractère pratique plus particulier en Égypte, où toute exportation est proscrite et où les spécialistes ont généralement accès aux artefacts que le temps de la saison de fouille.

Le cas des architectures en brique crue

Jusqu’à peu, l’architecture naqadienne en brique crue était relativement peu étudiée dans le Delta. Le choix a donc été fait d’examiner les maçonneries, assise par assise, afin de mieux comprendre leur mise en œuvre, les reprises, détecter les ouvertures, ainsi que l’évolution des constructions dans le temps. Le relevé manuel sur ce type de vestiges est extrêmement chronophage et ne permettait pas un enregistrement exhaustif dans le temps relativement court de la mission. La première solution mise en place a été la technique des photos redressées. Quatre points topographiques sont installés autour de la zone à relever, puis une photographie verticale est réalisée. La déformation de l’image est ensuite corrigée à l’aide des points. Cette technique fonctionne relativement bien dès lors que l’on a une scène très plane et que les cibles peuvent être installées à une même altitude. Cependant, les vestiges archéologiques s’avèrent souvent irréguliers et complexes. Les erreurs de perspective pouvaient générer des inexactitudes dans les relevés et, par conséquent, une mauvaise interprétation des maçonneries.

Dans le même temps, des membres de la mission se formaient au relevé photogrammétrique. Cette méthode prit rapidement le relais, s’avérant plus précise en permettant l’enregistrement d’informations tridimensionnelles. Chaque jour, des assises mises en évidence étaient relevées le matin. Le traitement des données réalisé dans l’après-midi permettait de dessiner et d’imprimer les assises de la matinée. Le document imprimé était emporté sur le terrain le lendemain afin de compléter les dessins, effectuer les vérifications nécessaires, numéroter les vestiges, etc. Cette méthodologie a permis de dessiner, brique par brique⁸, une grande partie des maçonneries découvertes, facilitant ainsi leur compréhension (fig. 2).

Cette méthode précise et son analyse furent un apport indubitable à la connaissance sur les modes de construction en adodes en Égypte prédynastique⁹.

Le cas des sépultures

Les sépultures fouillées ces dernières années à Tell-el-Iswid étaient dans un état de conservation relativement mauvais. Les ossements étaient pulvérulents et leur conservation parfois réduite à des empreintes, dans des sols relativement acides comprenant des fluctuations du niveau de la nappe phréatique. Une fois les observations effectuées in situ, il était difficile de réaliser des prélèvements adaptés pour des études anthropologiques approfondies. Ici, les relevés photogrammétriques ont permis de figer certains états de la fouille et offrent ainsi une conservation des maigres volumes de ces sépultures. Cela permet encore une fois un retour a posteriori sur la structure, et des possibilités d’analyses détaillées¹⁰.

Le cas des artefacts

Parmi les usages de la photogrammétrie, la production de modèles 3D d’objets est également très répandue. À Tell-el-Iswid, la numérisation de certaines pièces a été réalisée afin de répondre à plusieurs impératifs. D’abord, ces dernières années, nous travaillons souvent en équipe restreinte, et nous n’avons ni le temps ni, parfois, les compétences nécessaires pour réaliser des dessins techniques de qualité afin de documenter toutes les pièces importantes. Les artefacts découverts en fin de mission sont les plus concernés par la contrainte temporelle. La numérisation des objets permet de produire, a posteriori, des vues et des sections. Ainsi, des spécialistes peuvent élaborer des dessins techniques et des descriptions nécessaires à une bonne présentation et compréhension du mobilier (fig. 3). Cette méthode est parfois utilisée durant la mission comme un support au dessin manuel pour certaines pièces complètes et/ou complexes. Ensuite, nous souhaitons conserver une archive des pièces complètes qui sont systématiquement remises aux autorités du Service des antiquités égyptiennes pour conservation dans le magasin d’État de San el-Hagar. Malheureusement, il est ensuite très difficile de pouvoir revoir ces objets les années suivantes. Chaque spécialiste a eu l’opportunité de bénéficier de cet archivage, ainsi les céramiques complètes ou décorées, vases en pierre, meules et broyeurs, scellements inscrits, lames en silex sont disponibles et accessibles en modèles numériques¹¹.