1. Théorie, préparation et processus d’acquisition
p. 11-36
Texte intégral
1.1. L’imagerie verticale en archéologie : définitions
1Avant tout, il est important de faire un point sur les différentes notions qui cohabitent lorsque l’on parle d’images verticales en archéologie.
1.1.1. Photographie zénithale
2Il s’agit d’une photo dont le plan de l’image est positionné le plus parallèlement possible du plan à relever, pour limiter les effets de déformation liés à l’axe de prise de vue. Elle se veut complémentaire des relevés techniques : la photographie offre une vision « objective » d’une surface, alors que le dessin propose déjà une première interprétation. Mais si les photos numériques sont précieuses pour contextualiser les observations du fouilleur, elles comportent malgré tout plusieurs contraintes techniques pour une exploitation scientifique poussée.
La définition
3La définition correspond aux dimensions d’une photo numérique, exprimées en pixels. Le pixel est l’unité de base qui compose une image numérique matricielle (raster). Il est classiquement représenté par un petit carré associé à une couleur. C’est l’association de millions de pixels de couleurs différentes qui crée une image. Plus la définition d’une image est élevée, plus elle est composée de pixels (fig. 1). Par exemple, une photo d’une définition de 4 000 x 3 000 possède 4 000 pixels de large pour 3 000 pixels de haut. La définition dépend donc d’une part de la dimension du capteur de l’APN, mais également du nombre de pixels (ou photosites) que le capteur comporte. Dans l’exemple présenté, la photo correspond bien à la dimension du capteur, on parle alors d’un APN 12 Méga pixels, car 4 000 x 3 000 = 12 000 000.
4Pour la plupart des APN destinés aux amateurs, le couple boîtier (donc capteur) et objectif (qui détermine la longueur focale) ne permet que rarement de prendre une photo d’un sujet très large (plusieurs dizaines de mètres) avec une définition suffisante pour en apprécier les détails centimétriques, qui apparaissent alors trop « pixelisés ».
5Attention à ne pas confondre la définition et la résolution. La résolution indique la densité de pixels dans l’image, notée en Points Par Pouce (DPI, Dots Per Inch) ou Pixels Par Pouce (PPP), soit le nombre de pixels par 2,54 cm2. En effet la taille d’un pixel n’est pas fixe. Leur dimension varie en fonction de la taille d’impression de l’image. Plus l’image est agrandie, plus les pixels sont larges et susceptibles d’être visibles à l’œil nu.
Les déformations d’images ou aberrations géométriques
6Les principales déformations rencontrées lors des prises de vue en archéologie proviennent de la difficulté pour les appareils photos à restituer la totalité des détails de l’image dans toute sa profondeur. Dans la pratique cela se traduit par du flou ou par des distorsions optiques par exemple. Nous présentons ici les deux principales aberrations géométriques rencontrées lors de captations d’images destinées à la photogrammétrie en contexte archéologique.
7Les distorsions optiques se traduisent par des lignes normalement droites apparaissant légèrement courbées sur les clichés (fig. 2). Tous les objectifs, même les plus hauts de gamme, présentent cette déformation. Elles peuvent être de trois types (Egels 2011, p. 44-45) :
- Distorsion en barillet : la photo semble être posée sur une surface convexe, une sphère ou un baril. Les lignes directrices se courbent du centre vers l’extérieur de la photo. Elle est caractéristique des objectifs grand angle ;
- Distorsion en coussinet : La photo semble être posée sur une surface concave, comme enfoncée dans un creux. Les lignes directrices se resserrent vers le centre de l’image. Elle est particulièrement visible avec les objectifs de longue focale, ou téléobjectifs ;
- Distorsion en moustache : identique à la distorsion en barillet, sauf que les lignes se redressent légèrement sur les bords de la photo.
8La déformation de volume, ou anamorphose, est caractérisée par un effet d’étirement des sujets au bord de la photo. Elle est particulièrement visible avec les objectifs grand angle et lorsque la distance entre l’APN et le sujet est courte. Sur les photographies aériennes, les bâtiments semblent parfois « couchés » à cause de l’anamorphose. On parle alors d’effet de déplacement, ou de dévers (Smith 1995).
1.1.2. Photographie redressée
9Pour réaliser ce type d’image, le fouilleur installe des cibles (de 3 à n, en fonction de la précision souhaitée) sur la zone à photographier. Les coordonnées géographiques des cibles sont relevées par un outil de mesure topographique (GNSS, tachéomètre, station totale, etc.) ou positionnées dans un système relatif orthonormé. Le principe consiste ensuite à faire coïncider manuellement sur la photo le pixel du centre de chaque cible avec son repère topographique à l’aide d’un SIG. La photo est dite redressée, car elle est contrainte (ou transformée) par certains points dans un Système de Coordonnées de Référence (SCR). Le résultat offre une photo avec un positionnement dans l’espace relativement précis, mais qui conserve néanmoins plusieurs défauts (fig. 3) :
- Cette méthode ne corrige pas les déformations optiques. Au contraire, si le type de transformation le permet, la manipulation va de nouveau déformer l’image pour compenser les distorsions. De telle manière que certaines lignes droites peuvent apparaître courbes ou en « S » ;
- Il est généralement compliqué d’assembler plusieurs photos redressées. Il faut ajouter aux deux points précédents les problèmes de colorimétrie, de luminosité changeante et la superposition des clichés. L’image finale peut se révéler inutilisable à cause de toutes ces discontinuités entre les photos voisines.
10La photo redressée peut donc être un bon outil de travail pour visualiser et contextualiser rapidement des vestiges archéologiques sur un SIG. Mais, pour les raisons évoquées, elle ne peut pas être considérée comme un support de mesures géométriques fiable et en aucun cas elle ne saurait remplacer un plan.
1.1.3. Photogrammétrie et orthophotographie
11Depuis le passage à la photo numérique, les boîtiers se sont rapidement perfectionnés, rendant accessible au plus grand nombre la production d’image en haute définition (Egels 2011, p. 42). Il en va de même pour la micro-informatique, avec l’augmentation exponentielle de la puissance de calcul des ordinateurs personnels. Ces deux innovations technologiques sont à l’origine de la démocratisation de la photogrammétrie, une technique qui requerrait auparavant soit des compétences poussées, soit du matériel complexe et onéreux. Le phénomène a d’ailleurs profité de la mise en réseau de connaissances dans le domaine universitaire pour créer des outils libres et complets, à la portée de la communauté archéologique.
12La photogrammétrie est une technique pour modéliser la forme et la position d’un objet ou d’une surface dans un espace tridimensionnel à partir de données en deux dimensions (Paul et al. 1997, p. 244). Les données 2D sont le plus souvent des images photographiques, mais elles peuvent être aussi radars, radiographiques, microscopiques ou provenant d’un appareil à balayage. Fondamentalement, « le processus de photogrammétrie est indépendant du type d’image » (Kasser, Egels 2001, p. 19). Pour la modélisation d’un objet ou d’une surface, deux méthodes existent (Egels 2011, p. 42) :
- Avec une seule image. Il est alors nécessaire de l’associer avec un fichier qui renseigne la forme de l’objet ou de la surface (type MNT ou MNE) ;
- Si le fichier de forme n’existe pas, ce qui est le plus souvent le cas en archéologie, il est possible d’utiliser plusieurs images comme plusieurs points de vue sur l’objet ou la surface pour calculer la profondeur. C’est le même principe que la vision stéréoscopique humaine, d’où son nom de stéréophotogrammétrie.
13Si la pratique de la photogrammétrie s’accentue ces dernières années, son invention date pourtant du milieu du xixe siècle. Elle est utilisée pour la première fois en archéologie une vingtaine d’année plus tard seulement, sur les ruines du site de Persépolis, en Iran (Ebrahim 2003, p. 4 ; Djindjian 2016, p. 4-5). Depuis lors, elle n’a cessé d’être employée pour l’enregistrement et la conservation du patrimoine culturel, et plus particulièrement le patrimoine architectural. Si la photogrammétrie a trouvé un terrain d’application privilégié dans ce domaine, c’est parce qu’elle permet de produire, entre autres, des orthophotographies (fig. 4).
14Une orthophotographie, ou ortho-image, est le résultat du traitement mathématique d’une photographie aérienne (Boldo 2003). Lors du processus de production, l’image de base est recomposée pixel par pixel et présente à la fin les caractéristiques suivantes :
- Les distorsions optiques de l’objectif sont corrigées ;
- Tous les pixels de l’image respectent un axe de vue à la verticale parfaite (comme au centre d’une photo classique) ;
- Chaque pixel est associé à des coordonnées (système local à mondial) ;
- Le relief du sol naturel et la courbure de la terre sont pris en compte.
15Autrement dit, l’image est rectifiée pour être exploitée comme une carte plane, tout en affichant les caractéristiques réelles du terrain (Smith 1995). On peut alors calculer les distances au sol et modifier le facteur d’échelle du cliché.
16Comme chaque orthophotographie est le résultat d’une opération mathématique, il est possible de relancer un calcul pour les assembler. L’image issue de cette fusion, une orthomosaïque (ou orthophotomosaïque), présente de nombreux avantages pour l’archéologue :
- Elle est entièrement rectifiée. Tous les éléments visibles sont mesurables. Il est alors possible de l’utiliser comme support de dessin technique ou pour mesurer des distances ;
- Elle est géolocalisée bien plus précisément qu’avec les solutions de positionnement GNSS fournies par les APN. De plus elle est nativement exploitable par des outils de cartographie, tels que les SIG ;
- Malgré sa grande taille, elle est en très haute définition, car elle conserve la définition native de chaque image assemblée. On peut ainsi naviguer du vestige de quelques centimètres à l’ensemble du site avec la même image.
1.2. Orthomosaïque : processus théorique de production
17Nous présentons ici les grandes étapes du processus photogrammétrique pour produire une orthomosaïque (fig. 5). L’ordre de ces étapes peut varier et dépend du logiciel de traitement utilisé. La majorité des informations ici présentées sont synthétisées des thèses de L. Girod et M. Samaan, adaptées pour un public d’archéologues (Girod 2018, p. 23‑41 ; Samaan 2016, p. 29-70).
1.2.1. Acquisition des photographies
18Sur le principe, tous les éléments visibles sur les images d’un set de photos se retrouveront dans la scène 3D. Mais il faut pour cela respecter quelques notions élémentaires lors de l’acquisition des photos. D’abord, la qualité de la surface et la précision du modèle 3D dépendent directement de la qualité des photos utilisées. Ainsi, une photographie pour un usage photogrammétrique doit répondre à deux conditions, être nette et bien exposée. De plus, les photos doivent recouvrir l’ensemble de la scène et tous les angles de vues souhaités. Enfin, il faut toujours prévoir un recouvrement important entre les photos voisines, pour retrouver les éléments communs qui permettront de les assembler.
1.2.2. Points homologues (Tie point)
19La première étape logicielle consiste à recomposer le puzzle général de la scène, c’est-à-dire trouver les différentes liaisons des photos les unes par rapport aux autres. Pour les relier, le programme identifie sur chaque image des points communs avec les images voisines (fig. 6). Plusieurs techniques existent pour identifier automatiquement ces points homologues. Une des plus courantes est l’algorithme SIFT, qui discrimine des points entre des couples d’images le plus indépendamment possible de la résolution, du niveau de flou, de l’échelle de rotation, du point de vue et de la luminosité de chaque photo (Lowe 2004). Le processus est appliqué à l’ensemble des images pour déterminer tous les couples et obtenir la vue complète de la scène, projetée dans un système de coordonnées local en 2D (X et Y). Les couples d’images qui présentent les meilleurs scores de corrélation sont conservés comme points homologues.
1.2.3. Calibration et orientation des caméras
20Une fois les photos assemblées, il faut estimer la position de chacune d’entre elles pour définir l’espace 3D théorique dans lequel la scène sera projetée. Pour cela, on utilise un algorithme dit « d’ajustement de faisceau ». Il détermine d’abord les caractéristiques intrinsèques de l’APN lors de l’acquisition (paramètres d’orientation interne). Puis le calcul détermine l’angle et la distance du capteur par rapport à la photo, c’est l’estimation des positions (l’orientation externe). Cette étape permet de rajouter la dimension Z au système de coordonnées local défini durant l’étape précédente. Si, dans la littérature, on retrouve principalement les termes d’orientation interne et externe (Verhoeven 2016, p. 174 ; Girod 2018, p. 22-23), nous avons préféré, afin de limiter les possibilités de confusions, utiliser dans cet article le terme de calibration pour décrire les paramètres d’orientation interne et de limiter l’emploi du terme orientation aux paramètres d’orientation externe.
1.2.4. Nuage de points épars
21Puisque le modèle géométrique des caméras (calibration + orientation) modélisant l’emprise de la scène est maintenant connu, il est possible de projeter des points dans un espace 3D. Pour chaque point (homologue) visible sur chaque paire d’images, la position (coordonnées en X, Y et Z) de ces points est calculée et projetée dans un espace 3D (fig. 7). L’assemblage des points homologues constitue le premier nuage de points visualisable en 3D. S’il présente relativement peu de détails, le nuage dit « peu dense » sert avant tout de base pour vérifier la qualité de la projection 3D et l’emplacement des caméras.
1.2.5. Géolocalisation
22À ce stade, le nuage de points est toujours projeté dans un système de coordonnées local. C’est-à-dire que la géométrie qui le définit est celle tirée des caractéristiques des images, où l’unité de base est le pixel. Pour basculer dans un Système de Coordonnées de Référence (SCR), tel que le RGF93 en France, il faut renseigner les coordonnées géographiques de certains pixels. Dans la pratique, pour obtenir un modèle précis, cela se traduit par l’installation avant acquisition d’au minimum trois points de contrôle au sol (Ground Control Point ou GCP) sur la scène photographiée, chacun visible sur au minimum deux photos. Ils sont relevés sur le terrain dans le SCR de sortie souhaitée. Il faut ensuite les identifier sur les images pour que le logiciel transforme la position du nuage de points dans un espace géoréférencé 3D.
1.2.6. Ajustement de la calibration et de l’orientation des caméras
23Pour obtenir la géométrie finale du modèle, une dernière étape consiste à affiner la calibration et l’orientation des caméras en fonction du SCR défini, pour améliorer la précision du nuage de points.
24C’est une étape dite de compensation, correspondant à un nouvel ajustement de faisceaux, et prenant en compte les contraintes spatiales induites par les points d’appuis (GCP). In fine cela permet d’améliorer la précision du nuage. Mais on peut également dire que cette étape ajuste ou affine la géométrie de la scène (camera et nuage épars) en prenant le SCR comme contrainte.
1.2.7. Densification
25Avec le nuage et les paramètres des caméras validés et optimisés, la construction du nuage de points dense peut commencer. Cette étape, dite de corrélation multi-stéréoscopique dense calculées de manière itérative à partir des images sous-échantillonnées, en augmentant méthodiquement la résolution à chaque itération (Samaan 2016, p. 39). Cette méthode, multi-échelle/multi-résolution, conduit d’une part à une meilleure robustesse dans le calcul de corrélation entre images et d’autre part à plus de rapidité.
26La densification du nuage augmente le nombre de points proportionnellement à la résolution des images sources. La concentration est parfois telle qu’elle peut donner une impression de surface physique au nuage. Toutefois cette étape ne signifie pas nécessairement une amélioration de la précision du modèle.
1.2.8. Orthorectification
27Chaque point du nuage est alors associé à des coordonnées X, Y et Z précises, qu’il est possible de projeter sur une grille. L’image n’est donc pas la photo initiale déformée, mais bien le résultat d’un nouveau calcul où chaque pixel est une case de cette grille. On supprime ainsi les distorsions optiques pour obtenir des orthophotographies.
1.2.9. Orthomosaïque
28Il ne suffit pas de coller côte à côte les orthophotographies pour composer une orthomosaïque, sans quoi des limites grossières seraient visibles entre chaque image. La dernière étape consiste donc à fusionner les orthophotographies par un calcul d’égalisation radiométrique destiné à homogénéiser au maximum les couleurs entre les images voisines.
1.3. L’acquisition : du choix de l’équipement au levé topographique
29Pour réaliser une bonne acquisition, le plus important est de bien identifier l’objet d’étude et de définir en amont les besoins pour le rendu final. En effet, en photogrammétrie, l’équipement, les paramètres d’acquisitions et les propriétés de calcul varient en fonction du résultat souhaité. Nous proposons donc ici des recommandations génériques pour produire l’orthomosaïque d’un site archéologique, qu’il convient d’adapter en fonction des problématiques et du contexte d’intervention.
1.3.1. Matériel photographique et topographique
30Un des avantages du relevé photogrammétrique réside dans le fait que le matériel nécessaire pour réaliser une campagne d’acquisition fait partie des équipements classiques d’un chantier de fouille archéologique.
Capteur
31Le capteur est la partie sensible d’un APN, composée de millions de photosites qui reçoivent et transforment la lumière en autant de signaux électriques analogiques, selon l’intensité lumineuse perçue. Ces signaux sont ensuite convertis en pixels qui recomposent l’image. Sans entrer dans les détails, les progrès technologiques réalisés sur les capteurs type CMOS ont participé à une baisse importante des prix des APN à partir de 2005, les rendant plus accessibles sur le marché (Verhoeven 2016, p. 145). Les constructeurs ont ainsi continué les développements, et proposent aujourd’hui des appareils haut de gamme qui répondent aux exigences techniques de la photogrammétrie. Le premier aspect à prendre en compte est la taille du capteur, et par extension la taille des photosites (pixel size). Logiquement, plus la surface photosensible est importante, plus elle capte de lumière sur un temps donné, ce qui influe directement sur la qualité de l’image capturée (Pamart et al. 2019, p. 62-63). Ainsi, les grands capteurs offrent plus de souplesse pour les acquisitions, notamment dans les zones de basse luminosité. Parmi les tailles standards proposées par les constructeurs, le capteur « plein format » ou « 35 mm », qui calque ses dimensions sur celle des pellicules argentiques 24 x 36 mm, est donc le plus adapté pour la photogrammétrie (fig. 8). Toutefois, un capteur plus petit peut être employé quand des contraintes de poids et de taille de l’APN existent, notamment dans le cas de la photogrammétrie aéroportée par drone. Par exemple, avec de bonnes conditions de luminosité, la caméra du Dji Phantom 4 Pro, avec un capteur d’un pouce (13,2 x 8,8 mm), présente une qualité suffisante pour la production d’orthomosaïque de site archéologique. Une autre caractéristique technique importante est le nombre de photosites qui composent le capteur. Il correspond au niveau de détail de l’image finale, car un photosite sur le capteur est normalement égal à un pixel sur l’image, si l’APN est utilisé à sa définition maximum. Cette valeur est généralement retranscrite en mégapixel (MP ou Mpx), équivalent à 1 million de pixels. La taille et le nombre de photosites sont donc intrinsèquement liés, car pour deux capteurs de 20 Mpx, la surface sensible de chaque photosite sera forcément plus restreinte pour un capteur APS-C (21,1 x 16,7 mm) que sur un capteur Plein format (24 x 36 mm). Ce critère peut être évalué par l’espacement en micro mètre entre le centre de deux photosites adjacents (pixel pitch) ou par la densité de photosites au micro mètre carré (pixel density). Lorsque le choix est possible, on privilégiera toujours la taille du capteur, pour une meilleure réception de la lumière, aux mégapixels, sans descendre sous la barre des 16 Mpx (Pamart et al. 2019, p. 62-63).
Objectif
32Dans le choix de l’équipement de photographie, la qualité de l’objectif est primordiale. Un boîtier haut de gamme avec un objectif d’entrée de gamme livre des résultats clairement insatisfaisants (Historic England 2017, p. 28-29). Dans tous les cas, le choix de l’objectif devra être priorisé avant celui du boîtier. Ce choix détermine notamment la longueur ou distance focale (souvent raccourcie en focale) qui correspond à la distance (en millimètres) entre le centre optique de l’objectif et le capteur du boîtier quand la mise au point est faite à l’infini (De Ferrière et al. 2015). Elle détermine l’angle de vue de l’image, en fonction de la taille du capteur. Plus la distance focale est élevée, plus l’objectif « voit » loin mais avec un cadrage serré. À l’inverse, une distance focale courte permet un cadrage large, mais nécessite d’être plus proche de la scène à capturer (fig. 9). La manière d’exprimer la distance focale est issue des normes définies initialement pour les boîtiers argentiques, pérennisée aujourd’hui au travers des capteurs plein format. Avec ce type de capteur, les objectifs affichent des distances focales de 15 mm (fish-eye, ultra grand angle) à plus de 300 mm (téléobjectif). Mais à distance focale identique, un capteur plus petit cadre plus serré, avec un angle de vue plus court. Ainsi, pour obtenir le même angle de vue qu’avec un capteur plein format, il faudra choisir un objectif d’une longueur focale nominale plus petite ou égale si elle est exprimée en « équivalent 35 mm » ou « équivalent plein format ». Selon les préconisations du consortium 3D SHS, il est recommandé d’utiliser en photogrammétrie une plage focale située entre 20 mm et 85 mm en équivalent plein format soit entre 14 mm et 55 mm pour un capteur de type APS-C (Pamart et al. 2019, p. 64).
33Plusieurs types d’objectifs existent, les plus couramment utilisés étant les objectifs zoom et les objectifs à focale fixe. Les objectifs zoom sont les plus polyvalents, car comme leur nom l’indique, il s’agit d’objectif à distance focale modulable, pour adapter l’angle de vue, ou le niveau d’agrandissement de la scène. Les objectifs à focale fixe, à l’inverse, sont verrouillés sur une distance focale. Il en résulte des objectifs généralement mieux optimisés et de moindre coût, dont l’utilisation est à prioriser absolument pour une acquisition photogrammétrique. Par expérience, les objectifs à focale fixe 35 mm équivalent plein format se révèlent particulièrement adaptés pour le relevé de structures archéologiques.
34Précisions également que lors de traitement photogrammétrique, les logiciels effectuent une nouvelle calibration (étape de calcul) à chaque changement de distance focale, car cela modifie les paramètres internes de la caméra. Pour éviter de multiplier les opérations de calibration, nous conseillons donc d’utiliser soit un objectif à focale fixe, soit de verrouiller la focale de l’objectif durant l’acquisition.
Type de boîtier
35Les APN sont classés selon plusieurs catégories. Les reflex (de l’anglais Digital Single-Lens Reflex) sont généralement les plus adaptés pour la photogrammétrie. La spécificité de ces appareils est le système de visée, qui se fait à l’œil nu par un jeu d’optiques, comme dans des jumelles. L’objectif est d’obtenir un rendu fidèle de l’image à capturer, sans conversion numérique sur un écran. Un miroir est donc positionné devant le capteur le temps de la visée, et se déplace au moment de l’acquisition. Si le miroir ne présente pas d’intérêt en photogrammétrie, les APN reflex sont aussi par tradition des APN haut de gamme avec des capteurs plein format, des objectifs interchangeables et la possibilité de régler manuellement un grand nombre de paramètres d’acquisition (Samaan 2016, p. 33). Aussi, les progrès récents sur les APN hybrides les rendent tout aussi pertinents pour la photogrammétrie. Cette catégorie associe les attributs techniques des APN compacts et reflex : un boîtier de taille réduite combiné à des objectifs interchangeables. La réduction de la dimension du boîtier est rendue possible par l’absence de miroir devant le capteur et en direction du viseur. L’image captée est retranscrite sur le viseur ou sur l’écran après conversion numérique. Depuis quelques années, plusieurs de ces APN embarquent des capteurs plein format. Plus légers et moins encombrants que les APN reflex, ils se révèlent particulièrement adaptés pour les missions de terrain, et constituent aujourd’hui la référence en termes de photographie numérique.
36N.B. : Pensez aussi à prendre une carte mémoire avec un espace suffisant (min 4 Go à adapter en fonction des spécifications de l’équipement utilisé) que vous aurez pris soin de vider avant la campagne d’acquisition. Un ordinateur portable peut également être pratique pour décharger les photos et vérifier la qualité des images sur un plus grand écran que celui de l’APN, qui n’affiche qu’un aperçu.
Acquisition déportée
37Avec du matériel plus spécifique, il est possible de surélever la caméra pendant l’acquisition pour augmenter significativement le champ de vision de chaque image. Deux solutions existent pour cela : la perche et le drone. Si vous optez pour la première, utilisez une perche de 4 à 10 m de long. En dessous, le gain d’angle de vue n’est pas vraiment significatif et au-delà les perches deviennent difficilement maniables. De nos jours, la plupart des boîtiers hybride et reflex proposent des fonctions Bluetooth ou Wifi associées à des applications sur smartphone, très pratiques pour avoir un retour d’image et un déclenchement à distance. Il est également de plus en plus courant de faire intervenir des télépilotes de drone sur les fouilles archéologiques. Nous n’entrerons pas dans les détails ici, mais sachez que l’utilisation de ces outils est très réglementée par les législations française et européenne (MTE 2022). Correctement paramétré, un drone présente l’avantage de réaliser une campagne d’acquisition de manière quasi-automatique sans impacter le terrain. Les appareils sont souvent des solutions intégrées (aéronef + capteur) et, à ce jour, seuls les drones semi-professionnels à professionnels présentent une taille et une définition de capteur suffisante pour réaliser des orthomosaïques de qualité (ex : Dji phantom 4 pro). Chaque constructeur accompagne ses machines de solutions logicielles pour préparer et réaliser les vols (Pamart et al. 2019, p. 70). Vous aurez donc besoin d’un ordinateur ou d’une tablette sur le terrain pour gérer le bon déroulement de la mission. Enfin, attention au contexte d’intervention avec ces deux outils. Si l’espace est généralement bien dégagé au niveau du sol sur un chantier archéologique, ce n’est pas toujours le cas à plusieurs mètres de hauteur (arbres, lampadaires, bâtiments, etc.).
Topographie
38Pour le géoréférencement, vous aurez besoin de cibles pour représenter les GCP. En théorie, n’importe quel objet ou surface peut faire office de GCP, tant qu’il est bien visible et individualisé sur les images. Il est courant d’utiliser des cibles papier numérotées et plastifiées, maintenues par des clous. Pour relever la position des GCP, il faut être équipé d’au moins un des instruments classiques de relevé topographique (tachéomètre, station totale, GPS, etc.). Naturellement, plus la précision de l’instrument employé est bonne, plus le positionnement de l’orthomosaïque sera exact.
1.3.2. Photographie
- Contraintes photographiques :
Régularité
39Pour éviter de créer des erreurs ou des aberrations sur le modèle 3D, il est nécessaire de conserver les mêmes paramètres d’acquisition sur l’ensemble du lot de photos. Prenez l’habitude de faire les réglages avant de lancer une mission d’acquisition, en ayant à l’esprit que les photos doivent être nettes et suffisamment lumineuses en tous points du chantier. Les parties les plus sombres et les plus irrégulières sont souvent à privilégier pour étalonner la caméra, tout en contrôlant que les paramètres fonctionnent aussi dans les zones lumineuses. Si une exposition équilibrée ne peut pas être trouvée, il est préférable de sous-exposer les images. En effet, la sous-exposition peut être corrigée à l’aide de logiciels de traitement d’image, comme Darktable, mais pas la sur-exposition. Attention toutefois dans ce cas à bien produire et utiliser le format brut des images (cf. infra Format des fichiers).
Sensibilité
40L’ISO contrôle la sensibilité du capteur de l’APN à la lumière. Une valeur haute augmente avec la sensibilité et rend le capteur plus réceptif au signal lumineux. Mais elle a aussi pour conséquence de faire apparaître des particules lumineuses sur la photo, comme du « bruit » numérique. Ce phénomène est problématique en photogrammétrie, car les particules créent des artefacts uniques d’une image à l’autre, ce qui perturbe toutes les étapes du processus photogrammétrique. Il convient donc de garder l’ISO au minimum (max. 400), en jouant en priorité sur l’ouverture et la vitesse d’obturation pour régler la luminosité de l’image.
Ouverture
41Les détails flous d’une photo ne peuvent pas être modélisés. Or, un objectif ne permet, en théorie, de ne faire la mise au point (focus) que sur un seul élément de la scène. La profondeur de champ détermine alors la netteté des éléments placés à l’avant et à l’arrière de la cible de mise au point (Historic England 2017, p. 24-25) (fig. 10). Il faut donc rechercher la plus grande profondeur de champ possible, pour que tous les plans à relever apparaissent nets sur l’image. Dans la pratique, cela revient à refermer le diaphragme de l’objectif. Mais une ouverture trop faible laisse passer moins de lumière jusqu’au capteur. Le but est alors de trouver le bon équilibre pour produire des images nettes et suffisamment lumineuses. La valeur de l’ouverture, notée f/n, correspond au facteur de division de la distance focale. Plus le facteur est petit, plus l’ouverture est grande. Prenons l’exemple d’un boîtier plein format (capteur 24 x 36mm) avec un objectif d’une distance focale de 35 mm :
- Si le terrain présente peu de reliefs (terrain plat, structures en creux peu profondes, élévations de deux ou trois assises, etc.), selon les conditions de luminosité, il est possible d’ouvrir à maximum f/4 (35/4 = 8,75 mm), ce qui correspond à un diamètre d’ouverture du diaphragme de 8,75 mm. Cette configuration est lumineuse mais induit du flou sur les arrières plans, ce qui la rend peu adaptée aux environnements accidentés ;
- Par contre, si le terrain est irrégulier (site en pente, plusieurs paliers topographiques, sondages profonds, éléments verticaux, etc.), il est préférable de ne pas descendre en dessous de f/5.6 (35/5,6 = 6,25mm). Avec un diamètre d’ouverture réduit à 6,25 mm, on réduit la luminosité des clichés mais on augmente la netteté des arrières plans.
42Ces exemples sont adaptés à des prises de vue manuelles nécessitant une vitesse d’obturation élevée (cf. ci-dessous). Si vous avez la possibilité d’utiliser un trépied associé à un déclencheur à distance pour augmenter la stabilité de vos acquisitions, alors il est recommandé d’utiliser la plus petite ouverture possible (f/8 à f/11), afin de maximiser la netteté de vos images sur la totalité de leur profondeur de champ.
Vitesse d’obturation
43La vitesse d’obturation représente le temps durant lequel le capteur de l’APN reste exposé pour capter la lumière. Elle se mesure en fraction de seconde. Un capteur exposé longtemps capte beaucoup de lumière. Mais il enregistre aussi tous les mouvements de l’appareil pendant cette période, ce qui crée du flou. Il faut donc privilégier une vitesse rapide pour figer une image nette, tout en captant assez de luminosité. C’est pourquoi il est préférable de ne pas descendre en dessous du centième de seconde (1/100) avec un APN maintenu à bout de bras ou par une perche.
Balances des blancs
44La balance des blancs doit être identique sur toutes les images d’une même acquisition. Il est recommandé de sélectionner celle qui correspond le plus à l’éclairage ambiant de la scène à relever, parmi les réglages préétablis de votre appareil (nuageux, ombragé, lumière du jour, artificiel, etc.). Bien entendu le mode automatique est à proscrire. (C3DC, 2011, p.14)
Format de fichiers
45Il est de toutes circonstances, en photographie, conseillé de procéder à un enregistrement en double format, JPEG et RAW (format brut du constructeur du boîtier). Ce dernier permet, si besoin, de compenser des défauts d’exposition, sans perte, lors du développement numérique des données brutes via des logiciels spécialisés comme darktable. Pour les traitements, le format JPEG en haute définition est préférable. Le format TIFF, trop lourd, est à proscrire des acquisitions photogrammétriques.
- Contraintes photogrammétriques :
Recouvrement
46Nous recommandons un taux de recouvrement entre les clichés de 70 % minimum. C’est-à-dire que pour deux photos prises à la suite, seul un tiers de la deuxième photo doit illustrer des éléments inédits. Ce paramètre est valable pour les clichés d’une même ligne d’acquisition ainsi qu’entre les photos de lignes adjacentes. En dessous de 70 %, il y a un risque pour que les photos voisines ne présentent pas assez d’éléments similaires pour s’aligner correctement.
Nombre de photographies
47Le nombre de photos dépend de la surface à relever et de la résolution au sol visée. Pour être restitué en 3D, un point doit être vu sur un minimum de deux photos, et pour être reconstruit avec plus de précision, il doit être vu sur trois images. En pratique, nous conseillons de prendre quatre clichés de la scène au minimum. Si vous avez besoin de moins de photos, c’est probablement que la surface est réduite ou le niveau de détails nécessaires faible. Dans ce cas, un relevé manuel sera sans doute plus rapide à mettre en œuvre, pour un enregistrement à un niveau de détails identique au relevé photogrammétrique. À l’inverse, si vous dépassez les 100 photos, c’est en général soit parce que la surface à relever est très importante (plusieurs hectares), soit parce que la résolution au sol dépasse largement les besoins réels.
Lot de calibration (optionnel)
48Pour l’essentiel des acquisitions photogrammétriques réalisées sur les chantiers archéologiques, le lot de photos initial est suffisant pour réaliser les étapes de calibration et d’orientation des caméras. Il s’agit en effet de scènes simples, sur un même plan (une surface générale plane ou une façade), requérant un nombre raisonnable de photos (moins de 50) pour la numérisation. Dans le cas de scènes plus complexes, qui présentent une grande profondeur et de nombreux plans, il est nécessaire de multiplier les photos et les orientations pour assurer une couverture efficace du sujet. Or le manque de convergence sur de trop nombreuses prises de vue peut entraîner des erreurs de calcul de calibration de la caméra par les logiciels. Nous rappelons toutefois au lecteur que ce type d’acquisition est généralement destiné à la production de modèle 3D, alors que cette publication se concentre sur la production d’orthomosaïques.
49MicMac, le logiciel que nous proposons d’utiliser pour le traitement photogrammétrique, permet d’assurer une calibration de caméra (orientation interne) robuste en la calculant à partir d’une dizaine de prises de vue spécifiques avant d’en appliquer le résultat à l’ensemble des images de l’acquisition (Pierrot-Deseilligny et al. 2022, p. 53-54). Ce lot de calibration doit répondre aux caractéristiques suivantes :
- Les images doivent toutes converger vers le même point, mais en étant prises de positions et d’angles de vue différents (différences d’altitude et d’angle de rotation de la caméra), comme si l’appareil se déplaçait sur une sphère pour photographier son centre. Conservez une distance à la surface photographiée toujours identique, en « tournant autour » de la portion, pour garder une image nette et bien exposée sans modifier les paramètres de distance focale ou d’ouverture de la caméra ;
- Les photos de calibration doivent évidemment être produites avec les mêmes paramètres d’acquisition que le reste des photos, et respecter les prérequis de la photogrammétrie (des photos nettes et bien exposées) ;
- Toutes les images couvrent la même portion de la scène. La surface de cette portion n’a pas besoin d’être très large, 2 m2 sont suffisants ;
- Cette portion doit présenter une profondeur suffisante, avec un relief d’au minimum 20 cm. Par exemple, une portion parfaitement adaptée peut être la jonction de deux murs perpendiculaires, car elle illustre trois plans (les deux façades et le sol) ;
- Éviter les éléments trop complexes, avec beaucoup de petits détails sur des plans différents (ex : arbres), qui complexifient grandement la recherche de points homologues. Pour les mêmes raisons, les surfaces transparentes (ex : eau, vitre) ou monochromes et lisses (ex : bâche noire ou blanche) sont également à proscrire.
- Contraintes contextuelles
Cheminement
50Pour faciliter la recherche des couples d’images stéréoscopiques, il est conseillé de prévoir un cheminement régulier durant l’acquisition. Le plus souvent, la caméra se déplace sur un axe parallèle à la longueur du chantier, en commençant par un angle de la fouille. Une fois la ligne terminée, la caméra se déplace de quelques mètres à la perpendiculaire avant de reprendre une nouvelle ligne parallèle au premier axe (fig. 11). Ce cheminement en « S » est à répéter autant de fois que nécessaire pour couvrir la zone à modéliser. Il est aussi important de couvrir toujours un peu plus de surface que la réelle zone d’intérêt, pour éviter les manques d’information ou les erreurs géométriques sur les bords.
Luminosité
51Le premier critère à prendre en compte lors d’une campagne d’acquisition est la luminosité ambiante du terrain. Comme sur des photos de terrains classiques, les zones d’ombre sont à proscrire, car les surfaces de pixels noirs ne présentent pas assez d’éléments remarquables pour identifier les points d’attache. Il en va de même pour une luminosité changeante durant l’acquisition, comme par une journée avec des éclaircies ponctuelles. Là encore, la recherche de points d’attache va être limitée si une même surface présente des luminosités différentes selon les photos. La luminosité optimale est donc la même qu’habituellement sur un chantier archéologique : une lumière indirecte, diffuse et homogène sur l’ensemble de la surface à acquérir, tel qu’avec un ciel couvert par temps sec.
1.3.3. Résolution au sol
52La résolution au sol est une distance réelle au sol représentée par la distance entre les centres des pixels adjacents dans une image.
53La résolution au sol ou résolution spatiale (en anglais Ground Sample Distance ou GSD) est une valeur calculée qui vise à représenter la distance physique entre deux pixels adjacents dans une image par son équivalent en distance réelle au sol. Par exemple, pour une image qui affiche une résolution au sol de 5 cm, la distance entre les centres des pixels correspond à 5 cm réels sur le terrain. Les pixels étant carrés, cela correspond à une résolution au sol de 5 cm/px, soit une emprise de 25 cm2/px. De ce fait, les éléments en dessous de 5 cm ne seront pas identifiables sur l’image. En toute logique, plus la valeur de la résolution au sol est élevée, plus les pixels sont larges et le niveau de détails de l’image diminue. La résolution au sol influe donc directement sur la lisibilité d’une orthomosaïque et doit être estimée avant le début de la mission. Pour les photographies perpendiculaires au plan de la scène photographiée, ce facteur évolue en effet en fonction de la taille des photosites sur le capteur (pixel size), de la distance focale utilisée et de la distance du capteur par rapport à la surface à numériser. Dans la pratique, il est difficile de connaître la taille exacte des photosites du capteur. Aussi, il est courant d’utiliser une valeur équivalente, qui peut être obtenue par le rapport entre la largeur du capteur et la définition maximale de l’image.
54Pour calculer la résolution au sol en centimètres, la formule est (D x sensl x 100) / (f x imgl) (fig. 12) (Neumann 2009), ce qui correspond à :
- D = distance de la caméra à la surface numérisée, exprimé en mètres ;
- sensl = taille du capteur : largeur du capteur du boîtier de l’APN, exprimée en millimètres ;
- f = distance focale, exprimée en millimètres ;
- imgl = largeur de l’image, exprimée en pixels (la définition).
55Il est important de souligner que la recherche de la plus faible résolution au sol est lourde de conséquence pour lors des étapes de traitement photogrammétrique. En effet, plusieurs possibilités existent pour diminuer la résolution au sol d’une image : allonger la distance focale ou rapprocher l’appareil du sujet. Dans les deux cas, cela revient à diminuer l’angle de vue de la caméra, et donc multiplier les photos à l’acquisition pour couvrir une zone identique. Or augmenter le nombre de photos impacte lourdement la puissance de calcul nécessaire pour le traitement photogrammétrique par les logiciels. Selon le nombre d’images et les ressources informatiques à disposition, le temps de calcul peut varier de quelques dizaines de minutes à plusieurs heures, voire ne pas fonctionner du tout. Il est donc primordial de définir en amont de l’acquisition la résolution au sol souhaitée, afin d’optimiser le ratio précision/temps/objectif scientifique de l’acquisition. Par exemple, un relevé d’inhumation justifie, par un besoin de détail élevé, une résolution au sol basse (millimétrique : 0.1 cm/px) puisqu’elle ne concerne qu’une surface très restreinte. À l’inverse, le levé de la totalité d’une nécropole devra être réalisé à une résolution au sol beaucoup plus élevée (entre 1 et 5cm/px selon la surface) et adapté à la localisation des structures funéraires, à la manière d’un plan d’ensemble. Pensez à adapter la résolution au sol à vos besoins en terme de problématique archéologique.
1.3.4. Topographie
Installation des GCP
56Au minimum, 5 GCP suffisent, placer comme suit (Girod 2018, p. 31‑32) (fig. 13) :
- 4 GCP aux angles qui délimitent la zone réelle à modéliser (et non pas la surface complète photographiée) ;
- 1 GCP au centre de la zone ;
- D’autres cibles peuvent être installées à l’intérieur de la zone d’intérêt pour renseigner les paliers topographiques ;
- Quelle que soit la taille de la surface, il est déconseillé de dépasser une dizaine de GCP. Cela n’améliore pas le positionnement du modèle et ralentit l’étape de saisie des points lors du traitement.
Paramètres de levé topographique
57Pour faciliter l’exploitation des données, il est recommandé d’utiliser le SCR de l’aire géographique du chantier. Par exemple, pour la France métropolitaine, il s’agit du RGF93/Lambert-93 (EPSG 2154). La précision du levé dépend essentiellement de l’équipement utilisé (antenne GNSS, tachéomètre) et des conditions d’acquisitions (nombre de satellite, ouverture du milieu, paramètre humain, etc.). Attention, une orthomosaïque avec une haute résolution au sol ne signifie pas une position précise dans l’espace réel. En effet, rien n’exclut dans le processus de traitement exploité ci-dessous la production d’une orthomosaïque sans localisation ou avec une marge d’erreur importante entre chaque GCP.
Export
58Un fichier au format CSV qui liste les noms des points et les coordonnées X, Y et Z.
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