Accéder en 3D aux données de terrain pluridisciplinaires : un outil pour l’étude des grottes ornées
Accessing Multidisciplinary Field Data in 3D: A Tool for the Study of Decorated Caves
Résumés
Les données générées par les différentes disciplines à l’œuvre dans l’étude et la conservation des milieux ornés sont difficilement exploitables dans leur globalité de par leur hétérogénéité, mais aussi de par les difficultés d’appréhension de leur organisation spatiale. Nous avons développé un logiciel permettant de placer des points sur des maillages issus de numérisation 3D et de les consulter avec des outils de filtres et de recherches. Ils contiennent toutes les données des chercheurs relatives à des observations ou des analyses. La spatialisation des données permet une nouvelle approche dans leur analyse. En effet, de façon analogue aux systèmes d’information géographique (SIG) classiques, les positions 3D des enregistrements peuvent révéler des alignements, des regroupements, ou encore des manques selon des critères de filtrage et d’affichage des données.
The study of decorated caves is now conducted at a multi-field and multi-scale level. The evolution of cave walls, from their decoration to their degradation, enters the field of cave wall taphonomy. The analysis data collected by the experts are heterogeneous and distributed over different media (walls, floors, environment...). The 3D representation of a cave is particularly well adapted to gather all these very diverse data, in order to be able to interrogate them in laboratory. From this observation, and thanks to two research programs (ArTaPOC and PHYT), a tool has been developed to define the localisation of the samples (georeferencing), the annotations and the measurements of all types of sensors in a database. The idea is to reposition them on a 3D model such as the one used as an example, from a laboratory-cave in Leye (Marquay, Dordogne, France). The simultaneous visualization of several data fields allows to highlight alignments, groupings or gaps with respect to the selected data. The study of the site is facilitated, and new hypotheses can emerge on the evolution of wall surfaces in this case.
Entrées d’index
Mots-clés : 3D, base de données, géoréférencement, annotation, grottes ornées, taphonomie des parois
Keywords : 3D, database, georeferencing, annotation, ornated cave, wall taphonomy
Texte intégral
1Un travail est en cours sur la généricité des données afin de permettre l’agrégation des données de toutes disciplines, produites aujourd’hui ou par le passé. L’étude de l’art pariétal est depuis quelques années conduite en interdisciplinarité à l’échelle des cavités (voire du système karstique régional) mais également à celle des panneaux ornés et de leurs entités graphiques. Les phénomènes naturels et les interventions animales ou anthropiques enregistrés au cours de l’évolution du milieu, de l’encaissant et des incursions marquant l’histoire de la cavité, sont pris en considération par les différentes disciplines. Les observations se cumulent et aboutissent à une analyse globale mieux à même d’appréhender l’art pariétal dans sa réalisation et sa conservation. Ces nouvelles approches peuvent être regroupées sous le terme (choisi par extension et non dans son acception première) de taphonomie de la paroi ornée1. Si certaines observations peuvent être portées sur un relevé, d’autres données produites par les différentes disciplines ne peuvent y figurer et sont annexées dans des bases propres à chaque chercheur. Par ailleurs, l’hétérogénéité de ces informations rend difficile de les appréhender et de les exploiter aux différentes échelles spatiales. La nécessité d’un outil fédérateur dans un référentiel 3D multiscalaire s’est donc rapidement imposée, tant pour l’analyse des données par le croisement de l’information que pour la restitution des résultats. Le support tridimensionnel offre la possibilité de visualiser le relevé analytique et d’y adjoindre les bases de données issues des différents chercheurs.
2Dans cette perspective, un outil de géoréférencement 3D permettant de sauvegarder les informations collectées et de les croiser par l’intermédiaire d’une base de données associée à la 3D de la cavité a été élaboré grâce aux programmes ArTaPOC2 et PHYT3 et mis en œuvre dans la grotte-laboratoire de Leye (Dordogne).
3Une solution logicielle a été développée sous la forme d’un plug-in pour le logiciel Meshlab, lié à une base de données en ligne4 à laquelle nous apportons de nouvelles fonctionnalités concernant les éléments géoréférencés. Ceux-ci sont des points placés sur des maillages issus de numérisations 3D et sont associés aux données des chercheurs. Les données peuvent correspondre à un nom, un commentaire, des données spécifiques comme les valeurs de capteurs (températures et CO2) ou à des résultats d’analyses physicochimiques, sous la forme de fichiers joints. Cette base de données est directement consultable dans le modèle 3D avec des outils de filtres et de recherche.
4La spatialisation des données permet une nouvelle approche dans leur analyse. En effet, de façon analogue aux systèmes d’information géographique (SIG) classiques, les positions 3D des enregistrements peuvent révéler des alignements, des regroupements, ou encore des manques selon les critères de filtrage et d’affichage choisis. Il est par exemple possible de mettre en évidence d’un simple coup d’œil les zones d’une cavité ayant subi de fortes variations de température.
État de l’art
5L’utilisation de SIG dans l’étude de sites archéologiques est communément répandue depuis les années 19905. Les SIG sont particulièrement adaptés aux fouilles puisqu’ils permettent d’organiser les données d’origines variées issues des décapages successifs dans des calques superposables6.
6L’essor de la numérisation 3D par lasergrammétrie puis par photogrammétrie7 apporte la troisième dimension à ces relevés. Les SIG se sont adaptés en proposant de visualiser ces nouvelles données, mais ne les intègrent pas réellement dans leur base. Des notions de SIG 3D font ainsi leur apparition8.
7Le building information modelling (BIM) tente de répondre à ce besoin récent9. Mais adapté aux métiers du bâtiment et des travaux publics, il peine à trouver sa place dans le domaine de l’archéologie. En effet, le BIM propose une représentation paramétrique des constructions qui n’est pas compatible avec les spécificités des vestiges ou sites archéologiques. À l’opposé, la numérisation 3D est parfois qualifiée de BIM par le simple constat qu’elle décrit une réalité sous forme de nuages de points ou de maillages 3D. Il n’est pas proposé dans ces cas d’y associer une base de données comme dans un SIG.
8Dans le cas de l’étude des grottes ornées, le besoin de référencer en 3D les informations collectées par les chercheurs est d’autant plus prégnant que les études portent sur les sols, les parois et les voûtes. La projection en 2D ne convient pas pour appréhender totalement l’organisation des observations dans l’espace.
Matériel
9La grotte laboratoire de Leye10 est située à Marquay (Dordogne), au cœur de la vallée de la Vézère, région où se situe la majeure partie des grottes ornées paléolithiques de Dordogne (fig. 1). Elle a été sélectionnée pour être représentative des caractéristiques géologiques et morphologiques de ces cavités, en raison de la présence d’états de surface des parois fréquemment rencontrés dans la région étudiée, d’eau, de CO2 et de microorganismes, et en tenant compte d’autres aspects d’ordre technique et logistique11. Il s’agit d’une grotte creusée dans les calcaires gréseux de la transition Coniacien-Santonien, d’environ 50 mètres de longueur, descendante tout en restant proche de la surface.
Fig. 1. – Répartition des cavités karstiques du bassin versant de la Vézère, des grottes ornées et localisation de la grotte de Leye (Marquay, Dordogne).

D’après Aujoulat 2002.
10Étant dépourvue d’intérêt archéologique, elle offre la possibilité de réaliser des analyses in situ et des prélèvements en dehors des contraintes conservatoires inhérentes à la protection des sites patrimoniaux. Les recherches qui y sont menées ont pour objectif d’étudier les processus physicochimiques et biogéniques affectant les parois, à l’origine de revêtements calcitiques de type mondmilch et coralloïdes. Elles se concentrent dans l’un des secteurs de la grotte appelée salle du Trône, où ces deux formes de concrétions calcitiques se répartissent de façon quasi exclusive sur deux parois opposées espacées de 2 mètres : le mondmilch sur la paroi nord et les coralloïdes sur la paroi sud (fig. 2).
Fig. 2. – Revêtements calcitiques dans la salle du Trône (grotte de Leye, Marquay, Dordogne).

Présence de mondmilch paroi nord (rectangle de gauche) et de coralloïdes paroi sud (rectangle de droite).
© Haut : Stéphane Konik ; bas paroi : Catherine Ferrier ; bas prélèvements : Léna Bassel.
11L’approche pluridisciplinaire nécessaire à l’étude de la genèse et de l’évolution des faciès calcitiques réunit un ensemble de spécialistes, notamment en géoarchéologie, archéométrie, physique et simulation numérique. La grotte laboratoire de Leye fait l’objet d’un suivi climatique depuis 2012, permettant d’avoir une bonne connaissance de son fonctionnement climatique. La salle du Trône est actuellement équipée de 16 capteurs de température, 9 dans l’air et 7 et dans la roche, ainsi que d’un capteur de CO2 (fig. 3). Ces mesures climatiques sont enregistrées avec un pas de 10 minutes.
Fig. 3. – Topographie de la grotte de Leye (Marquay, Dordogne) et position de l’ensemble des capteurs de température et de CO2 dans la salle du Trône.

© Delphine Lacanette, sur la base du relevé topographique de Dounia Large.
12Les revêtements calcitiques sont caractérisés par des analyses physicochimiques pour avoir une connaissance approfondie de leur structure interne ainsi que de leur composition élémentaire et moléculaire. Les données collectées, hétérogènes, peuvent correspondre aussi bien à des spectres, par exemple de fluorescence X, qu’à des images provenant des observations en microscopie optique ou électronique (fig. 4). L’objectif est donc de disposer d’un outil accessible à toutes les personnes impliquées dans les différents champs disciplinaires afin de mettre en commun les informations et de pouvoir les positionner précisément dans la grotte, ainsi que de faciliter les interprétations interdisciplinaires à différentes échelles.
Fig. 4. – Liste exhaustive des types d’attributs et caractéristiques des données qui leur sont associées.

Méthode
13La solution informatique se présente sous la forme d’un ensemble de briques logicielles constitué d’un serveur web, d’une base de données et d’un plug-in de MeshLab12 (fig. 5). Cette architecture permet de remplacer une brique facilement pour faire évoluer la solution au gré des innovations technologiques. Le serveur web assure une mise en ligne facile et la possibilité de travailler à plusieurs sur la base de données. MeshLab a été choisi pour sa simplicité à être augmenté de fonctionnalités par son système de plug-ins.
Fig. 5. – Schéma de l’architecture de la solution informatique.

© Bruno Dutailly.
14Dans le cas de la grotte de Leye, le support 3D est issu de numérisation par photogrammétrie (fig. 6). Toute donnée 3D représentée par un maillage polygonal acceptée dans MeshLab est utilisable dans notre système.
Fig. 6. – Photogrammétrie de la grotte de Leye (Marquay, Dordogne).

Au centre : photogrammétrie de l’ensemble. Les photos (en haut) traitées par photogrammétrie permettent d’obtenir un nuage de points colorés (en bas à gauche) et un maillage texturé (en bas à droite).
© Pascal Mora.
15Le serveur Web est consultable avec un navigateur afin d’effectuer des opérations d’administration de la base de données, notamment la gestion des droits d’accès des chercheurs. Il propose aussi un accès au plug-in de MeshLab afin que ce dernier affiche les données sur le support 3D. Le plug-in communique au serveur les saisies et modifications effectuées par l’utilisateur.
16Le support 3D peut être segmenté en plusieurs parties afin d’alléger l’affichage dans MeshLab. Il est à noter que les performances de MeshLab sont liées à la configuration de l’ordinateur sur lequel il s’exécute. Cette segmentation permet aussi de travailler à plusieurs sur des parties différentes de la cavité, tout en évitant les problèmes de mises à jour concurrentielles des données.
17La base de données est définie par une structure la plus simple possible afin de permettre à un maximum de disciplines de s’insérer. Les données sont référencées en 3D par un point aux coordonnées x, y, et z. Un nom et un commentaire libre permettent d’identifier le point. Ensuite, des informations y sont ajoutées sous la forme d’attribut correspondant au type de donnée à associer. Chaque attribut est décrit par un nom, un commentaire libre, une liste d’URI (uniform resource identifier) et des fichiers associés. La liste présentée dans la figure 4, exhaustive pour notre étude, est extensible sans modification de la programmation du logiciel car elle est partie intégrante de la base de données.
18Les points et leurs noms sont visualisés sous la forme de pyramides effilées, la métaphore 3D d’une épingle proposée par MeshLab (fig. 7). La présence des attributs est matérialisée par des carrés colorés selon le type d’analyse. Le plug-in propose aussi ces points sous la forme d’une liste où chacun d’eux, ainsi que ses attributs, peut être consulté, modifié ou supprimé (fig. 8). Les fichiers joints peuvent être ouverts par le logiciel par défaut configuré sur l’ordinateur pour chaque format. Si un tel fichier est modifié, le plug-in le détectera et renverra au serveur la nouvelle version.
Fig. 7. – Données de la paroi nord, salle du Trône, grotte de Leye (Marquay, Dordogne).

Chaque point est affiché avec son nom et des pastilles de couleurs représentant de manière codifiée (voir fig. 4) les attributs présents.
© Bruno Dutailly.
Fig. 8. – Affichage des données dans le plug-in de MeshLab.

1 : choix des données par filtrage. 2 : liste des points affichés. 3 : liste des attributs pour le point sélectionné. 4 : détail de l’attribut sélectionné. 5 : fichier joint ouvert dans une application externe.
© Bruno Dutailly.
19Les informations textuelles (nom et commentaire) permettent l’enregistrement d’informations génériques, à condition de les formater selon un modèle mis en place par l’équipe scientifique. Pour notre étude, nous avons choisi pour format une liste de clef / valeur sous la forme « clef : valeur » à appliquer au champ commentaire. Il autorise les requêtes SQL classiques sur les champs textes. Nous avons défini quelques clefs comme « date de la donnée » et « auteur donnée ». « Date de la donnée » doit être saisi au format AAAAMMJJ et représente la date de création de la donnée associée. Par exemple, la date du prélèvement ou de l’analyse en laboratoire : « date de la donnée : 20180524 ». Le champ « auteur de la donnée » doit être suivi du prénom et nom de la personne ayant produit ou réalisé la donnée : « auteur de la donnée : Léna Bassel ». Ce modèle et son exploitation sont à définir par les utilisateurs de la solution logicielle.
20L’interface graphique programmée dans le plug-in de MeshLab permet une recherche de texte dans les champs identifiés comme tels. Par exemple : toutes les analyses effectuées par Léna Bassel en recherchant le texte « auteur de la donnée : Léna Bassel » dans les commentaires des attributs. Il est aussi possible de questionner la base sur l’existence même d’un type de donnée, par exemple : toutes les analyses RAMAN. Les recherches peuvent être croisées avec diverses règles de combinaison, par exemple : tous les points ayant fait l’objet d’un prélèvement en 2014 (fig. 9). Le résultat de chaque requête est une liste de points référencés en 3D répondant favorablement aux critères requis. Tous les autres points de la base de données sont masqués.
Fig. 9. – Exemple de filtrage pour la recherche des prélèvements réalisés en 2014.

1 : saisir le mot clef « 2014 ». 2 : chercher ce mot clef dans les commentaires des attributs. 3 : limiter la recherche à une liste d’attributs. 4 : « prélèvements » dans la liste des attributs disponibles. 5 : dans la vue 3D, seuls les prélèvements réalisés en 2014 sont affichés.
© Bruno Dutailly.
Discussion
21La consultation spatialisée des données déjà présentes dans la base permet une organisation et une anticipation des campagnes d’acquisition en priorisant et localisant les futurs prélèvements ou analyses in situ. Par ailleurs, les données acquises séparément, car étant issues de disciplines distinctes et par des chercheurs différents, peuvent être mises en relation par un utilisateur n’ayant pas obligatoirement été impliqué dans l’une ou l’autre de ces études. Cette confrontation, en croisant les analyses ou mesures in situ et celles acquises en laboratoire, débouche sur de nouvelles mises en perspective, offrant la possibilité d’une nouvelle lecture des données. Elle permet ainsi des interprétations inédites, comme la recherche de corrélation entre des mesures de capteurs et des observations faites en laboratoire sur des prélèvements.
22Nous avons constaté que la complexité de l’interface graphique augmente de façon exponentielle avec la richesse de la structure de la base de données. En effet, l’ajout d’un champ ou d’une table dans la base nécessite de proposer à l’utilisateur une interface capable de croiser ces nouvelles données avec celles stockées dans la structure déjà existante. C’est pour cette raison que nous prévoyons d’améliorer la solution en stockant les informations dans une base de données générique de type NoSQL. Celles-ci ont une structure libre, mais offrent tout de même la possibilité de faire des requêtes. Cela consistera à généraliser le principe du système clef / valeur mis en place dans notre étude à toutes les disciplines. L’interface graphique sera repensée pour permettre la recherche et le croisement des données, quel que soit leur emplacement dans la base. Ce nouveau type de stockage permettra aussi d’enregistrer les contenus des fichiers joints aux données, à condition de les structurer, et de proposer ainsi de les rendre interrogeables. Il sera alors possible, par exemple, pour les données LIBS ou de fluorescence X, de demander les points dont la valeur en strontium dépasse un certain seuil. Ces valeurs de mesures enregistrées dans des fichiers texte ou tableur étaient jusque-là consultables mais pas interrogeables.
23Les performances d’affichage en 3D rendent l’utilisation du logiciel très dépendante de l’ordinateur hôte. Une amélioration future consistera à s’orienter vers des moteurs de rendus 3D dédiés à l’affichage en temps réel, et permettant aussi la programmation d’interfaces graphiques et d’interaction 3D, comme Unity ou UnrealEngine. Des tests concluants ont déjà été réalisés dans ce sens sur Unity avec une visualisation dans un casque de réalité virtuelle (fig. 10).
Fig. 10. – Expérience de navigation et consultation de la base de données en réalité virtuelle dans un casque HTC Vive.

© Bruno Dutailly.
Conclusion
24Nous avons présenté des travaux réalisés dans le contexte de l’étude des grottes ornées qui consistaient à développer et utiliser une solution logicielle permettant la concentration des données des chercheurs dans un même support 3D.
25Les solutions existantes de SIG ou de BIM ne répondaient que partiellement aux besoins des chercheurs. La nécessité de croiser des informations hétérogènes nous a guidés vers une base de données commune à toutes les disciplines impliquées et vers un support 3D commun réalisé par la numérisation 3D de la cavité. La saisie des données et les requêtes avancées ont permis une meilleure anticipation du travail de terrain et l’émergence de questions scientifiques liées au site. La complexité relative de la base de données, de l’interface graphique permettant l’accès, et le poids grandissant des numérisations 3D orientent maintenant nos développements vers des solutions plus génériques en termes de stockage, et plus performantes en matière d’affichage de contenu 3D en temps réel. L’outil élaboré est à même d’être utilisé aussi bien dans le cadre de la recherche que dans celui de la conservation des grottes ornées paléolithiques. Il répond par ailleurs à un enjeu majeur de la protection de ce patrimoine unique, en permettant l’archivage et la consultation d’informations collectées depuis des décennies et dont l’acquisition se poursuit nécessairement sur le long terme. L’ensemble des données anciennes et actuelles, quelle que soit leur nature, se trouve rassemblé dans un même environnement favorisant leur appréhension, leur analyse et leur confrontation.
Bibliographie
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Notes de bas de page
1 Kervazo et al. 2010.
2 Projet Archéologie et taphonomie de la paroi ornée à Cussac (ArTaPOC), porté par J. Jaubert (laboratoire PACEA, UMR 5199) ; financement LabEx Sciences archéologiques de Bordeaux (LaScArBx).
3 Programme de recherche Taphonomie et préservation des grottes ornées : étude multiphysique de faciès calcitiques (PHYT), dirigé par R. Chapoulie (laboratoire IRAMAT-CRP2A, UMR 5060) ; financement région Nouvelle-Aquitaine.
4 Feruglio et al. 2015.
5 Green et al. 1990.
6 Buchsenschutz et Gruel 1994.
7 Fuchs et al. 2004.
8 Koehl et Lott 2008.
9 Logothetis et Stylianidis 2016.
10 Lacanette et al. 2013.
11 Ibid.
12 Cignoni et al. 2008.
Auteurs
-
Bruno Dutailly
Laboratoire De la Préhistoire à l’actuel : culture, environnement et anthropologie (PACEA, UMR 5199, université de Bordeaux / CNRS) ; laboratoire Archéosciences-Bordeaux, matériaux, temps, images et sociétés (UMR 6034, université Bordeaux Montaigne / université de Bordeaux / CNRS)
-
Stéphane Konik
Centre national de préhistoire
-
Valérie Feruglio
Laboratoire De la Préhistoire à l’actuel : culture, environnement et anthropologie (PACEA, UMR 5199, université de Bordeaux / CNRS)
-
Catherine Ferrier
Laboratoire De la Préhistoire à l’actuel : culture, environnement et anthropologie (PACEA, UMR 5199, université de Bordeaux / CNRS)
-
Rémy Chapoulie
Laboratoire Archéosciences-Bordeaux, matériaux, temps, images et sociétés (UMR 6034, université Bordeaux Montaigne / université de Bordeaux / CNRS)
-
Bruno Bousquet
Laboratoire CELIA (UMR 5107, CNRS / CEA / université de Bordeaux)
-
Léna Bassel
Laboratoire IRAMAT-CRP2A (UMR 5060, université Bordeaux Montaigne / CNRS)
-
Pascal Mora
Archéovision-production ; laboratoire Archéosciences-Bordeaux, matériaux, temps, images et sociétés (UMR 6034, université Bordeaux Montaigne / université de Bordeaux / CNRS)
-
Delphine Lacanette
Institut de mécanique et d’ingénierie (I2M, UMR 5295, université de Bordeaux / INP)
Le texte seul est utilisable sous licence Licence OpenEdition Books. Les autres éléments (illustrations, fichiers annexes importés) sont « Tous droits réservés », sauf mention contraire.
Signes et communication dans les civilisations de la parole
Olivier Buchsenschutz, Christian Jeunesse, Claude Mordant et al. (dir.)
2016
