Apport de la photogrammétrie numérique pour la recherche sur les voies romaines

Cite this article as: Clément Coutelier, "Apport de la photogrammétrie numérique pour la recherche sur les voies romaines," in Les carnets d'AusoHNum, 15/04/2020, https://ausohnum.hypotheses.org/1012.

 

Le réseau routier romain était relativement vaste, environ 150 000 km à son apogée. Pourtant, il est encore mal connu aujourd’hui. Certaines routes ont été construites durant la période impériale (entre 27 avant J.-C. et 476 après J.-C.), d’autres ont été une reprise du réseau plus ancien (Kasprzyk & Nouvel 2011). Au 1er siècle après J.-C., Siculus Flaccus, arpenteur romain évoque trois types de voies :

  • Les voies publiques (viae publicae), qui étaient les routes principales pour le déplacement de l’armée et pour la circulation des messagers de l’empereur avant tout, mais pouvaient être utilisées par tous ;
  • les voies vicinales (viae vicinales) qui correspondaient à un réseau de voies secondaires reliant les agglomérations, les bourgs ;
  • les voies privées (viae privatae), à la charge du propriétaire du domaine, ayant pour vocation principale le déplacement privé.

Suivant leur fonction, leur période de construction et l’environnement dans lesquels elles ont été bâties, les voies romaines ont laissé, pour certaines, des traces encore visibles dans le paysage. Quelques-unes de ces marques sont infimes, et aujourd’hui une partie de la recherche archéologique travaille sur leur détection (Verdin et al. 2017).

Les évolutions technologiques récentes permettent un renouvellement de la recherche archéologique sur ces voies romaines. Alors que les études sur le sujet s’appuyaient traditionnellement sur l’analyse des textes écrits, des images aériennes par avion et bien sûr l’observation depuis le sol, les nouveaux outils permettent de compléter les connaissances avec l’intégration d’éléments de constructions et d’inscriptions romaines jusqu’ici peu visibles. Après un bref tour d’horizon de nouveaux outils permettant la détection des voies, cet article présente plus précisément l’apport de la photogrammétrie numérique pour améliorer les connaissances sur le réseau viaire.

Nouvelles avancées technologiques au service de la recherche en archéologie

Depuis une dizaine d’années, l’usage de la technologie lidar pour l’archéologie tend à se démocratiser. Par l’analyse de la micro-topographie, elle permet de repérer les formes linéaires et fines correspondant aux routes, et ce, sur plusieurs kilomètres sous couvert forestier. Au-delà de tronçons de voies anciennes, ce sont même des cités entières qui ont pu être révélées grâce à la télédétection par laser (Chase et al., 2011).

Les caméras thermiques et multispectrales, aujourd’hui embarquées sur drone, ont aussi apporté de nouvelles images des réseaux routiers.

En outre, nous assistons à la renaissance d’une technique ancienne, au service de l’archéologie : celle de la photogrammétrie. Elle permet d’obtenir une visualisation en 3 dimensions, du relief ou d’un simple objet en utilisant des photos de celui-ci.

La photogrammétrie n’est pas récente. Le premier appareil stéréoscopique permettant d’observer des volumes d’un relief à partir de deux photographies jumelles est déjà apparu au milieu du 19ème siècle (Brewster D., 1856). Et durant le 20ème siècle, les appareils stéréoscopiques se sont répandus. Mais la facilitation à prendre des photographies aériennes (avion puis drone) ainsi que l’augmentation des performances des logiciels ont amélioré quantitativement et qualitativement les restitutions de scènes virtuelles.

Principes de la photogrammétrie par photographie aérienne

Lors d’une étude sur un vaste territoire ouvert (plusieurs kilomètres carrés), la photogrammétrie va être utilisée idéalement. Ainsi, un ensemble de photos prises depuis un avion ou par drone peut être exploité pour le repérage d’un tronçon de voie, mais seulement s’il y a respect de deux critères principaux. Il faut qu’il y ait :

  • Un minimum de 60% en recouvrement longitudinal (les photos d’une même bande de vol) entre les photos, et supérieur à 10% (idéalement 20 à 40%) pour le recouvrement latéral (les photos entre deux bandes de vol) (Kasser & Egels 2002) ;
  • Des variations de points de vue de la surface ou de l’objet étudié.

Un taux élevé de recouvrement entre les photos va permettre ensuite, dans un logiciel de traitements, d’améliorer la qualité d’alignement et d’assemblage de ces photos. Mais les inconvénients d’un taux de recouvrement trop élevé sont des temps de vol plus longs et des capacités de stockage plus importantes sur une même surface, puis la nécessité d’accès à de bonnes capacités de calculs informatiques pour l’exploitation des clichés. La variation des points de vue sur le secteur d’étude est importante, car elle assure une couverture complète, même des espaces étroits, partiellement masqués. Sinon le résultat serait un espace vide de rendu visuel.

Prise de photos aériennes avec recouvrement

Aujourd’hui, plusieurs logiciels informatiques de photogrammétrie (certains gratuits1, d’autres payants2) vont permettre de réaliser une restitution, en 3D, ou du moins en relief 2,5D (un couple de coordonnées X,Y ne peut avoir qu’une seule hauteur Z associée, il est donc par exemple impossible d’obtenir l’altitude à la fois sous et sur un pont) d’une scène par l’exploitation d’une multitude d’images. C’est ce que l’on appelle la photogrammétrie numérique. La seule véritable limite actuelle est la capacité de calculs des matériels informatiques pour le traitement d’images toujours plus nombreuses et aux résolutions toujours plus fines.

Photogrammétrie numérique d’imagerie ancienne pour la détection de traces de voies romaines

En plus de l’érosion naturelle, l’anthropisation du sol, c’est-à-dire la transformation du paysage par l’Homme, a accéléré la disparition des marques de voies routières sur nos territoires.

Mais les progrès technologiques d’aujourd’hui permettent d’exploiter l’imagerie aérienne d’hier. Ainsi nous pouvons en quelque sorte remonter le temps en recréant les scènes des paysages passés grâce à la photogrammétrie numérique. La restitution des espaces étudiés en 3D peut enrichir de manière non négligeable la connaissance historique et archéologique. Ces avancées peuvent également s‘appuyer sur l’Open Data, c’est-à-dire la mise à disposition gratuite de données pour le grand public, en plein essor ces dix dernières années. L’accès aux photographies aériennes anciennes est ainsi facilité. l’IGN (Institut National de l’Information Géographique et Forestière) a par exemple mis en place le site internet https://remonterletemps.ign.fr/ , offrant la possibilité de visualiser et télécharger des images issues de campagnes aériennes de 1919 à aujourd’hui.

Trace de voie romaine repérée sur une image aérienne ancienne de 1977

Si une campagne de vol regroupe des photos se recouvrant partiellement, alors le logiciel de photogrammétrie sera capable de trouver des points communs entre ces photos et va pouvoir les assembler pour obtenir une scène en relief. Il n’est justement pas rare de trouver des séries de photographies anciennes avec recouvrement, car c’est avec l’essor de l’aviation durant la Première Guerre Mondiale qu’est véritablement apparue la photogrammétrie aérienne (Grussenmeyer, 2016).

Six photographies anciennes téléchargées depuis le site de l’IGN, et assemblées dans un logiciel de photogrammétrie

La restitution générée à partir de l’assemblage des photographies va permettre de visualiser une scène en 3D ou en 2.5D. Cependant celle-ci ne possède pas encore les dimensions correspondant à la réalité, la scène n’a pas encore d’échelle réelle. Le logiciel n’étant pas capable de reconnaître les formes, c’est-à-dire les objets à la surface du sol, comme les maisons, les arbres, il n’attribue pas d’unité de mesure (en mètres ou en kilomètres) de la réalité du terrain.

L’intérêt d’une restitution aux dimensions réelles est capital. Il va permettre au spécialiste des voies d’utiliser les outils de mesures informatiques pour connaître la largeur d’emprise, la longueur, mais également la hauteur de surélévation de la voie dans le paysage. Autant d’informations facilitant l’étude et la compréhension de ces découvertes.

Il existe plusieurs solutions pour attribuer les mesures réelles dans la scène virtuelle générée informatiquement :

  • Utiliser le Géoportail, portail public web cartographique de données spatiales.  Il est possible de retrouver le secteur d’étude sur le Géoportail, de repérer des points facilement identifiables sur la restitution 3D et d’utiliser l’outil d’affichage des coordonnées pour intégrer la latitude, la longitude et l’altitude de ces points. Le Géoportail est idéal pour des travaux sur le territoire national ;
  • pour des sites d’étude hors de France, il est possible d’exploiter l’outil Google Earth afin de repérer des points remarquables et d’insérer leurs coordonnées, de la même manière que le Géoportail ;
  • utiliser un logiciel SIG (Système d’Information Géographique). L’information de coordonnées X, Y et Z est consultable en couplant l’affichage d’une image aérienne géoréférencée et d’une image altimétrique précise type MNT (Modèle Numérique de Terrain) ou MNS (Modèle Numérique de Surface) correspondant à la même zone ;
  • enfin, la solution de terrain : il est possible de se rendre directement sur le terrain d’étude, équipé d’un récepteur GNSS différentiel, c’est-à-dire un dispositif se localisant par des systèmes satellitaires comme le GPS (Etats-Unis), Glonass (Russie) ou encore Galileo (Europe). Il faut là aussi avoir repéré des points remarquables communs entre la restitution 3D et le terrain. Les points enregistrés avec le récepteur GNSS puis post-traités pour obtenir la meilleure précision possible vont pouvoir être implémentés dans la scène virtuelle. Plus notre matériel peut obtenir des coordonnées précises, plus notre scène 3D sera « recalée » dans l’espace de manière précise et juste. C’est pour cela qu’il n’est pas recommandé d’utiliser les applications GPS de téléphone mobile, car les altitudes obtenues peuvent avoir des imprécisions d’une dizaine de mètres.

La précision attendue du modèle et les outils à disposition vont conditionner l’utilisation d’une ou de plusieurs de ces méthodes. Le résultat final peut être facilement exporté en format image classique pour permettre au plus grand nombre de consulter l’information. Il peut aussi être importé dans un logiciel SIG (Système d’Information Géographique) afin d’y appliquer des traitements supplémentaires, comme l’accentuation des effets de relief (Coutelier et Daret, 2019), de le croiser avec d’autres données historico-géographiques, ou d’effectuer des mesures.

Scène obtenue par photogrammétrie numérique. Visualisation de l’élévation d’une voie romaine

Il convient de préciser qu’une observation photogrammétrique seule, sans recherche complémentaire ne suffit pas à apporter toutes les preuves d’existence d’un tronçon antique. Des traces de voies plus récentes peuvent présenter le même résultat visuel qu’une route romaine. Outre la comparaison de la morphologie de toute nouvelle découverte avec des voies romaines déjà étudiées, l’association de ce travail avec celui des spécialistes en histoire et archéologie est nécessaire. Cette technique est néanmoins pertinente pour prolonger des tronçons bien identifiés, ou susciter de nouvelles recherches.

Photogrammétrie pour l’étude épigraphique des bornes routières

Par ailleurs, la recherche sur les voies romaines peut être abordée par l’étude des milliaires, ces bornes routières indiquant des informations sur les travaux de construction et d’entretien de la route.

L’étude des inscriptions sur ces vestiges, mission des épigraphistes, est un apport considérable dans la connaissance du réseau routier, et de l’organisation territoriale plus globalement.

Une borne indiquait généralement le nom de l’empereur ou de la personne chargée de la gestion du domaine impérial, ainsi qu’une distance la séparant d’un autre lieu (comme une capitale de cité, une agglomération secondaire, une frontière, etc.), parmi d’autres informations (Kolb 2011). Ce sont autant d’informations permettant de dater la voie et comprendre l’objet de son implantation.

La technique de la photogrammétrie, efficace pour révéler le tracé des voies sur de vastes territoires, peut aussi être utilisée sur des objets d’une taille de quelques mètres voir même macrométrique (Samaan 2016). Parfois associée à d’autres outils qui mettent en exergue les micro-reliefs, comme l’exagération des traces gravées, un ombrage virtuel sur l’objet, ou le déroulement à plat d’une surface irrégulière (Meyer 2005), la photogrammétrie peut faire ressortir les inscriptions effacées par l’action du temps de manière plus forte que l’œil humain seul ne le permet.

Le principe d’acquisition photographique sur une borne est similaire à celui d’un territoire survolé par avion. Il faut posséder un ensemble de photographies de l’objet, dont les clichés se recouvrent partiellement, et qu’ils soient enregistrés de points de vue différents autour de la borne.

La prise de photographie se fait en se déplaçant autour de la borne et en variant la distance séparant l’opérateur de la borne. L’environnement dans lequel le milliaire est exposé exige parfois que l’acquisition soit faite par un spécialiste en photogrammétrie. La faible luminosité, l’éclairage synthétique, la taille des détails à étudier, les contraintes de visibilité sont autant de paramètres à bien prendre en compte pour faire une acquisition photographique réussie. Le résultat final du rendu en 3D est dépendant de ce travail de terrain.   La borne destinée à la modélisation en 3D doit être dimensionnée dans le logiciel de photogrammétrie après l’acquisition, c’est-à-dire qu’il doit lui être associé des dimensions de hauteur, largeur, diamètre. Il est alors nécessaire d’effectuer des mesures sur l’objet, idéalement en relevant des points remarquables avec des appareils topographiques (théodolite, station totale), qui ont l’avantage d’une précision quasi-millimétrique, ou bien avec des outils plus traditionnels comme le mètre ruban ou une règle graduée posée contre la borne ou son socle.

Florent Comte3, Ingénieur d’études 3D à l’institut Ausonius, faisant une acquisition d’une borne milliaire exposée au Musée d’Aquitaine (Bordeaux)

Les logiciels de photogrammétrie numérique utilisés pour le traitement de photographies aériennes le sont également pour les objets de quelques centimètres de grandeur. L’assemblage des photos d’une borne et sa restitution en 3D peuvent être faits avec ces mêmes outils. Les reliefs laissés par les inscriptions ressortent de manière plus visible.

Restitution en 3D de la borne à partir des photographies

Il est possible pour une équipe de recherche de consulter toute borne milliaire restituée en 3D avec un simple navigateur internet, sans qu’il soit nécessaire de posséder le logiciel de photogrammétrie qui a servi au traitement des photos. Pour cela, des outils peuvent être développés à partir de bibliothèques JavaScript 3D. Ils offrent des fonctionnalités qui permettent, de surcroît d’améliorer la visualisation grâce à différents procédés paramétrables par l’utilisateur. De tels outils ont été mis en œuvre pour le système PETRAE4, le programme d’enregistrement et de traitement des inscriptions latines et grecques mis en place dans le cadre du programme de recherche5 éponyme à l’institut Ausonius. Les inscriptions sur les bornes y sont ainsi accessibles depuis un outil de visualisation performant, permettant notamment de faire des mesures sur l’objet, de modifier à sa convenance la source d’éclairage, ce qui permet d’améliorer la lecture des textes.

La compréhension pour les épigraphistes en est ainsi améliorée (Comte 2018). Les résultats offrent indubitablement une aide précieuse pour améliorer la connaissance des tronçons étudiés ainsi que pour la recherche des lieux antiques indiqués par les distances sur la borne, lieux qui pouvaient jusqu’alors demeurés inconnus des archéologues.

Conclusion

La photogrammétrie est un outil efficace permettant des avancées considérables dans la recherche scientifique sur le monde romain. Pourtant ancienne, cette technique est encore sous-exploitée malgré l’importance des informations qu’elle est capable de révéler. La photogrammétrie numérique récente va certainement démocratiser son usage, favorisé par le travail de développeurs qui œuvrent pour une prise en main plus aisée pour les non spécialistes. Il n’en demeure pas moins que le rôle des techniciens et ingénieurs en photogrammétrie est primordial. Ils sont les plus aguerris pour enseigner les meilleures techniques d’acquisition photographique et pour optimiser la qualité des rendus en 3D (Valente 2019).

Comme il a été montré dans cette présentation, la photogrammétrie est un outil très pertinent pour la recherche scientifique, aussi bien sur des sujets d’études étendus sur de grandes surfaces, que sur de petits objets (il est même envisageable d’utiliser la photogrammétrie pour l’étude de monnaies, de fragments de céramique, etc.). Mais de toute évidence, le savoir historique et archéologique reste absolument nécessaire pour la datation d’une voie à la période antique et romaine.

Les résultats des travaux présentés ici ont été produits dans le cadre du projet Aquitaviae.

Auteur : Clément Coutelier


Bibliographie

  • Brewster, D. (1856) : The Stereoscope; its History, Theory, and Construction, with its Application to the fine and useful Arts and to Education: With fifty wood Engravings.
  • F. Chase, A., Chase, D., Weishampel, J., B. Drake, J., Shrestha, R., Clint Slatton, K., Awe, J. et Carter, W. (2011) : “Airborne LiDAR, archaeology, and the ancient Maya landscape at Caracol, Belize”, Journal of Archaeological Science, 38, 387‑398.
  • Comte, F. (2018) : “L’utilisation des nouvelles technologies dans l’étude des inscriptions anciennes”, in : Travaux d’archéologie limousine, Archéologie en Limousin, (Tome 38), p. 91‑102.
  • Coutelier, C., Daret, B. “Exploitation d’un modèle numérique de terrain pour mettre en relief la micro-topographie”, in https://ausohnum.hypotheses.org/, 2019, https://ausohnum.hypotheses.org/359
  • Grussenmeyer, P. (2016). Photogrammétrie, bilan et perspectives de 150 années d’histoires.
  • Kasser, M. et Egels, Y. (2002) : Digital photogrammetry, London : New York.
  • Kasprzyk, M. et Nouvel, P. (2011) : “Les mutations du réseau routier de la période laténienne au début de la période impériale : apport des données archéologiques récentes”, in : Aspects de la Romanisation dans l’Est de la Gaule – 1, Glux-en-Glenne (Bibracte, 21), p. 21‑42.
  • Kolb, A. (2011) : “Miliaria : Ricerca e metodi. L’identificazione delle petre milari”, in : F. Pavan (ed.), I miliari lungo le strade dell’impero. Atti del Convegno (Isola della Scala, 28 novembre 2010), Vérone, 17‑28.
  • Meyer, E. (2005) : “La photogrammétrie pour le relevé épigraphique des colonnes de la Salle Hypostyle du temple de Karnak”, Revue XYZ (Association Française de Topographie), 102, 29‑34.
  • Samaan, M. (2016) : La photogrammétrie rapprochée au service de l’archéologie préventive, Géographie, Université Paris-Est.
  • Valente, C. (2019) : Numérisation 3D & Construction.
  • Verdin, F., Didierjean, F. et Coutelier, C. (2017) : “Routes protohistoriques, romaines et médiévales d’Aquitaine : nouvelles approches, nouveaux résultats”, in : S. Zanni (ed.), Actes de la table ronde internationale, Bordeaux (Scripta Antiqua 106), 35‑53.
  1. Quelques logiciels gratuits : AliceVision Meshroom, MicMac, VisualSFM []
  2. Quelques logiciels payants : Agisoft Metashape, Autodesk ReCap, Imagine Photogrammetry, Pix4D []
  3. https://ausonius.u-bordeaux-montaigne.fr/annuaire?florent.comte []
  4. Lien vers la borne routière de Trajan : http://petrae.huma-num.fr/160100900392 []
  5. Projet PETRAE : http://petrae.huma-num.fr []

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