Skip to navigation – Site map
Sous la mer

Relevés optiques et acoustiques pour l’archéologie sous‑marine

Optical and acoustic survey methods in underwater archaeology
Pierre Drap and Andrea Caiti
p. 117-125

Abstracts

In this paper, we describe optical and acoustic survey methods in underwater archaeology. Side‑scan sonar yields 3D renderings of the underwater landscape, and allows the topography around sites to be mapped. Optical surveys are undertaken at the scale of the artefact and archaeological fragments and are accompanied by annotations made by the archaeologist. This survey method uses archaeological data to minimize measurements and produce a geometric rendering based on knowledge of the site. We also discuss a non‑photorealistic representation which conserves the links between geometry and non‑graphic data. This approach can be used as a gateway to GIS tools, while simulating a manual reading, for interpretation by the archaeologist.

Top of page

Full text

1L’archéologie sous‑marine profonde, au delà de 60 m, limite légale de la plongée en scaphandre autonome en France, ne peux s’envisager sans un moyen fiable et précis de relevé. L’accès au site est soit réservé aux passagers des rares sous‑marins dédiés à l’archéologie soit se fait par le biais de robots équipés de retour vidéo. Dans ces deux cas l’analyse du site se fait sur place, avec des équipements extrêmement onéreux même si l’on peut bien sur visionner à nouveau les documents enregistrés sur site (vidéo, photo, balayage SONAR, SOund Navigation And Ranging – en deux ou trois dimensions).

2Le besoin d’une étude du site faite en dehors des conditions maritimes et s’appuyant sur des documents métriques, véhiculant des informations qualitatives du type photographique s’est fait sentir très tôt.

3La première idée fut d’effectuer des relevés les plus exhaustifs possible afin de produire un fac‑simile virtuel qui permettrait l’étude du site en laboratoire séparant totalement la phase d’acquisition des données de la phase d’analyse.

4Cette approche met en évidence un premier problème : l’acquisition des données nécessaires à l’élaboration du fac‑simile est une opération complexe, coûteuse et encore du domaine de la recherche.

5Nous proposons une nouvelle approche du relevé, fondée sur la connaissance lorsqu’il s’agit des artefacts et sur une mesure exhaustive et automatisée pour le terrain. Lors du relevé des artefacts la géométrie produite est le résultat de la fusion de données mesurées et d’hypothèses archéologiques. Le relevé est alors présenté comme une interprétation du monde réel s’appuyant sur des mesures objectives et sur une connaissance du domaine étudié.

6Le modèle 3D produit devient alors plus riche que le simple fac‑simile ; il est évolutif, capable de révision et de mise à jour de connaissances comme d’ajout de nouvelles mesures. La réalité virtuelle ou au moins la maquette numérique est alors l’interface entre l’archéologue et les données relevées et analysées.

7Le projet VENUS, Virtual ExploratioN of Underwater Sites, financé par la commission européenne dans le sixième programme cadre, de 2006 à 2009, avait pour but le développement d’outils et de méthodes pour le relevé et la visualisation de sites archéologiques sous‑marins. Nous avons, à cette occasion, mis en œuvre des procédés originaux de relevé où la photogrammétrie sous‑marine est utilisée conjointement à une définition ontologique des artefacts mesurés (principalement des amphores, mais aussi des tuiles et des briques). Par ailleurs l’utilisation conjointe de techniques de relevé acoustique et optique, du SONAR à la photogrammétrie permet le relevé de sites à plusieurs échelles, du paysage à l’artefact.

1 ‑ Le relevé archéologique

8La fouille archéologique est le plus souvent irréversiblement destructive, il importe alors de l’accompagner d’une documentation pertinente rendant compte des connaissances actuelles sur le site. Cette documentation est généralement iconographique et textuelle. Les représentations graphiques des sites archéologiques dessins, esquisses, aquarelles, photographies, topographies, photogrammétries sont un passage obligé de toutes fouilles, dans le cas de représentations métriques, comportant au moins une mise à l’échelle, pour parler de relevé. Cependant comme le souligne Buchsenschutz (2007) « Même très précis, le dessin ne retient que certaines observations pour soutenir une démonstration, tout comme un discours ne retient que certains arguments, mais ce tri n’est pas généralement explicite ». Ceci pose en quelques sortes les fondements du travail présenté ici : le relevé sera tout à la fois une représentation métrique du site et une interprétation de ce même site par l’archéologue.

9Deux familles d’objets seront à relever : des portions de terrain ou plus généralement des zones de l’espace, (quelquefois organisées en unités stratigraphiques mais rarement dans le contexte de l’archéologie sous‑marine où la fouille représente souvent un moment précis, celui du naufrage) et les artefacts que l’on cherchera à positionner dans l’espace et éventuellement à représenter finement après une étude en laboratoire. Notre travail aborde ces deux aspects : le relevé de l’espace et celui des artefacts au travers de deux approches différentes l’une fondée uniquement sur la géométrie et dans notre cas provenant de mesures acoustiques et la seconde utilisant des connaissances a priori lors de la mesure photogrammétrique. Le relevé du terrain, par exemple, s’appuie sur des techniques SONAR et n’est représenté que par un ensemble de points mesurés, reliés entre eux. La seconde approche, fondée principalement sur la connaissance que l’on a des artefacts mesurés, utilise cette connaissance pour dimensionner et positionner l’objet dans l’espace, plus généralement pour compléter les mesures toujours partielles que l’on peut effectuer. Cette approche peut également conduire à une minimisation de l’effort de mesure.

10Enfin il convient de noter que par nature les données archéologiques sont incomplètes, hétérogènes, discontinues et soumises à d’éventuelles mises à jour et révisions. Le système de documentation, lié au relevé, devra être en mesure de gérer ces différentes contraintes.

11Ce travail est présenté du point de vue du relevé : c’est le relevé du terrain ou des artefacts qui offrira une interface à l’ensemble de la documentation archéologique. Le relevé, par nature 3D génèrera une interface 2D ou 3D selon les besoins exprimés par les archéologues tout en conservant cette fonction d’interface vers la documentation.

1.1 ‑ Le relevé : une interprétation du monde

12Le relevé, dans le contexte patrimonial, est une interprétation du monde réel faite dans un but déterminé a priori. Le relevé désigne souvent la production graphique mais est en fait une opération complexe qui implique trois composantes : l’outil de mesure, la connaissance experte de l’opérateur et enfin le medium utilisé pour la représentation graphique. Si le résultat final semble forcément plus pauvre (car la carte n’est pas le territoire) en revanche il portera et offrira un accès à la connaissance qu’en avait l’auteur. En cela le relevé est un véritable outil de connaissance, décrivant l’état actuel, tout en offrant la possibilité de mises à jour, de révisions, et de mise en scène de nouvelles hypothèses (Ginouvès, 1987).

La mesure

13Plusieurs techniques de mesure peuvent être utilisées, manuelles ou hautement technologiques, du dessin à main levée, par contact (calque), jusqu’aux systèmes automatisés acoustiques ou optiques comme les SONAR ou scanner laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) en passant par des méthodes semi automatisées comme la topométrie ou la photogrammétrie. Ces outils et méthodes fournissent des données non interprétées, presque objectives. Presque car le choix d’une méthode de mesure conditionne déjà le résultat final par la résolution, l’échelle, le choix des conditions de mesure (lumière, stabilité etc.).

La connaissance

14Le relevé ne pourra être pertinent que s’il est conduit par un expert du domaine car au‑delà même de la capacité à représenter, en amont, la capacité à voir, à reconnaitre les détails que l’on veut représenter est indispensable.

15Or pour pouvoir identifier dans une image un élément singulier il faut en avoir une connaissance a priori, l’opération consiste alors à reconnaitre l’image d’un objet connu dans une photographie comportant d’autres objets, connus de l’opérateur ou non.

1.2 ‑ 50 ans de photogrammétrie sous‑marine pour l’archéologie

16Les premières expériences de photogrammétrie sous‑marine pour l’archéologie remontent aux années soixante (Bass, 1970). Depuis l’intérêt de la photogrammétrie et des mesures acoustiques pour l’archéologie n’a cessé de croître (Bass et Rosencrantz, 1973 ; Tchernia et al., 1978).

17Après la première expérience de relevé photogrammétrique depuis un sous‑marin, c’est à Marseille qu’a lieu, pour la première fois en France, le relevé photogrammétrique d’une épave (Liou, 1973).

18Réaliser des prises de vue stéréoscopiques nécessitait un important dispositif. Alors que le sous‑marin Asherah embarquait deux appareils photographiques synchronisés, le relevé par plongeur à Marseille se faisait à l’aide de structures métalliques, fixes et coulissantes. Ces canevas sont installés sur site afin de guider les photographes car les prises de vue stéréoscopiques sont soumises a des contraintes géométriques fortes : les prises de vues doivent être faites en respectant les conditions physiologiques, humaines, de la stéréoscopie : axes optiques parallèles, pas de déversement (rotation autour de l’axe optique).

19Cette approche lourde de la photogrammétrie sous‑marine, due d’une part à la technique de prise de vue stéréoscopique et d’autre part aux méthodes de restitution par couples indépendants fut un frein important pendant des années. D’autres campagnes importantes sont à noter en France notamment la fouille de la Madrague de Giens (Hesnard, 1989 ; Tchernia et al., 1978) qui fut conduite pendant plus de 10 ans et servit de terrain d’expérimentation pour le relevé archéologique.

20Le relevé traditionnel d’une épave, est coûteux en temps, en moyens financiers et exige une logistique complexe, du matériel sophistiqué et des ressources humaines hautement qualifiées (Green, 1990 ; Martin et al., 1992).

21Les contraintes spécifiques du milieu sous‑marin (turbidité de l’eau, présence de particules en suspension) obligent les opérateurs à travailler à de grandes échelles, près de l’objet (entre 50 cm et deux ou trois mètres, selon la qualité de l’eau). Cet aspect est contraignant et impose une grande quantité de prises de vue, néanmoins il procure une grande précision dans les résultats.

22La photogrammétrie, couplée avec la mesure acoustique est, à ce jour, la méthode la plus précise, non intrusive et ne mobilisant le site qu’un laps de temps très court, pour le relevé de structures sous‑marine, de l’archéologie à la biologie marine en incluant les aspects industriels. (Delgado, 1997 ; Hesnard, 1988 ; Pomey et Rieth, 2005 ; Tchernia et al., 1978).

1.3 ‑ Relevé sous‑marin : fusion de données acoustiques et optiques

23La fusion de données optiques et acoustiques est une technique très prometteuse qui a bénéficié d’une attention croissante au cours des dernières années dans le cadre du relevé sous‑marin. En effet les images optiques sont d’une interprétation aisée pour un opérateur humain mais la visibilité optique à un champ très réduit dans l’eauj, même si quelques applications très particulières, comme le laser, semblent repousser cette limite (Seong et al., 2005 ; Sluzek et Seong, 2008). Par ailleurs les capteurs 3D acoustiques ne sont pas affectés par les problèmes d’illumination et la qualité de propagation du son dans l’eau leur accorde facilement un champ bien plus large.

24Il semble donc pertinent de vouloir utiliser conjointement ces deux approches.

25Généralement, la bathymétrie obtenue avec un SONAR est effectuée depuis une certaine distance de l’objet mesuré (lequel est généralement le fond marin) et la densité du nuage de point obtenu est plutôt basse en comparaison avec celle obtenue par des moyens optiques (Drap et al., 2005 ; Singh et al., 2007). En revanche la photogrammétrie exige un travail à grande échelle (très près de l’objet car contraint par une faible visibilité), ce qui permet d’obtenir des modèles 3D denses et précis.

26La fusion de données optiques et acoustiques implique donc la fusion de modèles 3D de densités très différentes ‑ une tâche qui exige des précautions et des développements spécifiques (Bowen et al., 2009).

27Les premières tentatives de fusion de données optiques et acoustiques remontent aux années 2000 avec les travaux d’Andrea Fusiello (Fusiello et Murino, 2000) où les données acoustiques étaient utilisées pour approximer l’orientation externe de la camera dans le cas particulier de la mesure de Jacket pour l’offshore. Cas particulier où sur l’image ne sont visibles que les portions de cylindre dont on cherche les positions relatives, le reste de limage ne produit que peu d’écho et reste plus ou moins uniforme en ce qui concerne le signal optique.

28Des travaux de recherche ont également intégrés des données acoustiques et optiques dans un environnement de réalité augmentée (Fusiello et Murino, 2004) et enfin les travaux de Hurtós et Cufí vont dans le sens de l’intégration des différents capteurs (Hurtós et al., 2010) comme c’est déjà le cas pour les relevés terrestres où laser et appareil photo sont souvent intégrés dans un même outil.

29Cependant les différences de résolution, de précision et de champ de ces deux approches ne semblent pas être un facteur propice à l’intégration des deux types de capteurs au sein d’un seul et même instrument dans le contexte sous‑marin.

30Enfin il faut noter que la combinaison des données acoustiques et optiques a été depuis longtemps utilisée en dynamique depuis des engins sous‑marins, autonomes ou non. (Conte et al., 2008) Généralement ce genre de problème est perçu comme l’évaluation du mouvement d’un véhicule dans un environnement inconnu, sans aucune information a priori.

31Le problème se ramène à la construction d’une carte de l’environnement et donc à l’estimation de la position du véhicule en exploitant les informations obtenues, pendant le mouvement, au moyen de différents capteurs. Dans la littérature cette problématique est connue sous le nom SLAM (Simultaneous Localization And Mapping) et, depuis qu’elle a été formellement présentée dans (Smith et al., 1987), différentes applications et solutions ont été proposées.

32Actuellement, la résolution satisfaisante d’une problématique SLAM dépend de plusieurs facteurs, qui peuvent être regroupés en trois catégories :
• la configuration de l’environnement (notamment la présence de structures) ;
• le degré de connaissance des caractéristiques du véhicule (notamment de son modèle dynamique) ;
• le type et la qualité de son équipement sensoriel (qui peut inclure des capteurs externes et internes, comme par exemple des caméras, un SONAR, un laser, des unités de mesure inertielles, des encodeurs, des compas, etc.).

33Plus généralement on peut constater que peu de laboratoires dans le monde ont pu produire un travail innovant sur la fusion de données optiques/acoustiques dans l’environnement sous‑marin. Voir par exemple (Fusiello et Murino, 2004 ; Pizarro et al., 2009 ; Singh et al., 2000) où les auteurs décrivent l’utilisation des techniques qui permettent la superposition de mosaïques de photographies sur des cartes numériques bathymétriques 3D de terrains (Leatherdale et Turner, 1991 ; Singh et al., 2007).

2 ‑ Les instruments du relevé acoustique 

34Le panel des instruments acoustiques nécessaires à la cartographie des sites archéologiques est principalement constitué du SONAR à balayage latéral (Side Scan Sonar ou SSS en anglais) et du sondeur multifaisceaux (Multi‑Beam Echo sounder, MBE en anglais). Il convient de rappeler en premier lieu que les SSS produisent des images acoustiques qualitatives de la morphologie des fonds marins, tandis que les MBE restituent des informations quantitatives sur l’élévation de ces mêmes fonds, souvent formalisé par une matrice d’élévation x‑y‑z. Compte tenu de ces caractéristiques, les SSS doivent être considérés avant tout comme un outil de prospection pour rechercher de nouveaux sites, identifiés sur les images produites comme des anomalies morphologiques des fonds sous‑marins, tandis que les MBE sont généralement des outils utilisés pour une première cartographie quantitative d’un site dont la localisation est déjà connue.

35Du point de vue des performances acoustiques il importe pour ces deux familles d’instruments de prendre en compte le compromis entre résolution et portée. Comme l’atténuation du signal acoustique est proportionnelle à la fréquence, les signaux à haute fréquence ne peuvent générer des données significatives qu’à courte distance du fond ou de l’épave, d’autre part, plus la fréquence est élevée, plus la résolution des données est fine. Les caractéristiques de la résolution des systèmes SSS et MBE sont largement discutés dans la littérature (Lurton, 2002), de même les modalités d’interprétation des images issues de Side Scan Sonar sont développées dans, par exemple, les travaux de Blondel (Blondel, 2008).

36En règle générale, en ce qui concerne les MBE, les instruments adaptés à la cartographie des fonds marins sont caractérisés par une fréquence supérieure à 300 kHz. Ces systèmes garantissent une résolution verticale (coordonnée z) de l’ordre de 0,01 à 0,1 m et une portée jusqu’à un maximum de 300 m (décroissante avec la fréquence). La résolution horizontale (along track and cross‑track – voir la figure 1 pour la configuration géométrique) varie avec la distance à la verticale de l’instrument, et en particulier s’aggrave avec l’augmentation de la distance à la verticale.

Fig.1

Fig.1

Configuration géométrique pour la détermination de la résolution le long de la trace (along track) et en visée latérale (across track) d’un MBE

formule de Lurton, 2002)

37La résolution la plus mauvaise s’obtient à l’ouverture maximale par exemple pour un appareil situé à 150 m du fond, avec un angle d’ouverture de chaque faisceau de 1° et une ouverture maximale de 60° de sorte que le faisceau, à l’ouverture maximale, parcoure une trajectoire de 300 m ce qui correspondant à la portée maximale. La résolution est alors d’environ 5 m along track (coordonnée x) et de 10 m across track (coordonnée y). Cette résolution horizontale s’améliore nettement, avec le même instrument, en s’approchant du fond ou en ne considérant que les faisceaux proches de la verticale : le même système MBE, situé à 25 m du fond a une résolution minimale (correspondant à l’ouverture maximale de 60°) de 0,8 m along track et de 1,6 m across track. Pour une ouverture de 30 °, la résolution along and across track deviennent respectivement de 0,3 et 0,6 m.

38Les considérations mentionnées ici justifient la tendance à l’utilisation d’instruments acoustiques aussi proches que possible des fonds marins, en particulier grâce à l’utilisation de systèmes robotiques (filoguidé, ROV Remotely Operated Vehicle, ou totalement indépendant, AUV Autonomous Underwater Vehicle) qui garantissent une navigation précise à une altitude prédéterminée au dessus de l’épave. Les données acoustiques sont intégrées et corrigées des données de navigation du véhicule soit a posteriori soit en temps réel. La figure 2 montre un tel système, conçu pour l’acquisition simultanée de données acoustiques et optiques, réalisé dans le cadre du projet VENUS (Drap, Seinturier, et al., 2008) lors de la mission sur le site de Pianosa, petite ile de l’archipel Toscan, Italie.

Fig. 2

Fig. 2

Robot téléguidé par câble (ROV) utilisé pour l’acquisition simultané d’image optique e acoustique durant les opérations de relevé sur le site de Pianosa (Italie) dans le cadre du projet VENUS

39La figure 3 représente la bathymétrie obtenue à partir d’un système MBE Seabat 8125 (Reson) à 445 kHz.

Fig. 3

Fig. 3

Détail de la bathymétrie du site de Pianosa recueillie avec un système Seabat 8125 (Reson) a 445 kHz à une hauteur de 30m. La bathymétrie est représentée avec une illumination artificielle et est confrontée à la carte préexistante (à droite) élaborée manuellement par les archéologues plongeurs. Les artefacts de taille importante sont directement visibles sur la bathymétrie

40Positionné à environ 30 m sur le même site de Pianosa, on y distingue nettement les artefacts archéologiques. Le système de navigation précis de l’instrument acoustique a permi de corriger certaines distorsions manifestes présentes dans la carte élaborée manuellement par les plongeurs (à droite de la figure 3). On notera que si la bathymétrie provenant du MBE est fine et détaillées, ne nécessitant pas de plongeur sur le site, elle reste absente de toute sémantique. La carte élaborée manuellement fait mention des herbiers de posidonie et autres observations faites par les plongeurs.

41Enfin, en ce qui concerne les SSS, il convient de noter que la technique de la synthèse d’ouverture a récemment été adaptée avec succès aux systèmes SSS, apportant une nette amélioration de la qualité d’image et rendant plus aisée leur interprétation (Bellettini et Pinto, 2009). La figure 4 montre une image provenant d’un SSS à synthèse d’ouverture, où sont facilement identifiables, sur la partie droite de l’image, des anomalies morphologiques causées par une épave d’époque romaine.

Fig. 4 ‑ Image acoustique obtenue à l’aide d’un système SSS à ouverture cinétique

Fig. 4 ‑ Image acoustique obtenue à l’aide d’un système SSS à ouverture cinétique

Les anomalies morphologiques son reconnaissables aux ombres projetées sur l’image. L’anomalie à droite sur l’image est due à la présence de dolia d’origine romaine. L’anomalie visible sur la partie gauche de l’image est d’origine géologique

(NATO, 2008)

42Notez également que l’anomalie visible sur la gauche de la même image est d’origine géologique. Une analyse faite par un expert en images générées par les Side Scan Sonar reste cependant nécessaire.

3 ‑ Le relevé des amphores

43Dans ce contexte, la mesure et la gestion des amphores de l’épave sont basées sur trois sources de données fortement incomplètes. La première représente le modèle théorique de l’amphore. Elle contient les normes géométriques nécessaires à la représentation graphique des récipients, les valeurs par défaut décrivant des dimensions caractéristiques de ces objets. La deuxième source est alimentée par le relevé photogrammétrique des objets basé sur les photographies prises lors des fouilles. L’information de la troisième source provient des mesures effectuées en laboratoire sur ces mêmes amphores, une fois qu’elles ont été récupérées. Dans ce travail, nous ne mentionnerons pas cette troisième source d’information (Drap et al., 2003).

3.1 ‑ La première source : le modèle théorique

44Cette source s’implique dans l’expression graphique liée à la connaissance experte des archéologues (S1). Elle découle d’un modèle généré par l’observation des amphores. Ce modèle réunit des informations de diverses natures sur les objets étudiés : la description géométrique de leur morphologie sous la forme d’un ensemble d’attributs géométriques, les observations et mesures possibles sur les objets ainsi que la description des règles de calcul nécessaires pour évaluer les attributs géométriques en recourant aux observations effectuées.

45La diversité des objets manipulés par l’archéologue et la complexité géométrique de leurs surfaces nous ont conduits à rechercher leurs caractéristiques morphologiques stables afin d’y effectuer les mesures nécessaires à l’étude.

46Ces caractéristiques géométriques sont également décrites dans le modèle.

3.2 ‑ Le lien avec la photogrammétrie

47Un ensemble de primitives géométriques simples servent à approximer ces particularités morphologiques et sont utilisées comme interfaces entre la mesure photogrammétrique et le modèle sous‑jacent. La finalité de la mesure pouvant être double :

  • détermination des positions et orientations des objets dans le référentiel général du site; il s’agit ici de mesurer un objet dont la morphologie générale nous est donnée a priori ;

  • les mesures donnant lieu au calcul des positions et orientations de l’amphore peuvent également servir à déterminer des caractéristiques intrinsèques de l’amphore, données qui sont généralement mesurées par une autre méthode quand l’amphore est remontée à la surface. Une détection de conflit entre la mesure photogrammétrique et ces données extérieures est mise en place sans toutefois qu’une décision soit prise par le système. Ces problèmes de fusion de données hétérogènes, de détection de fautes et d’incohérences, de mise à jour et de révision de données ne seront pas abordés dans cet article. Ces aspects ont été traités dans le cadre du projet VENUS, Virtual ExploratioN of Underwater Sites et les résultats de ce travail sont accessibles sur le site du projet [en ligne] ; Drap, Scaradozzi et al., 2008). La mesure photogrammétrique est supportée par quelques points stratégiques de l’amphore (pointillé sur la figure 5, à droite).

Fig. 5

Fig. 5

De gauche à droite : le modèle graphique élaboré par les archéologues, puis représentations numériques de ce modèle

48Cinq zones servent à définir, de façon redondante, les paramètres de définition du référentiel de l’amphore. Si la mesure s’avère impossible sur certaines parties, le mécanisme de détermination du référentiel utilise les relations entres amphores (si elles existent) ou des valeurs par défaut. Le problème d’inférence de valeurs fondées sur des données incomplètes ou devant être remise en cause est fréquent en archéologie. (Drap, Seinturier et al., 2008).

49Les informations contenues dans la source S1 vont au delà des aspects géométriques. Un ensemble de données non graphiques (bibliographie, iconographie) entrant dans la définition du « modèle » ne seront pas traitées dans cet article.

3.3 ‑ La seconde source : le relevé photogrammétrique

50La seconde source de données (S2) provient des mesures photogrammétriques obtenues à l’aide des photographies prises sur le site. Ces informations sont de trois types : position et orientation des photographies dans le référentiel général du site, position et orientation des amphores identifiées et mesurées, détermination de quelques attributs morphologiques.

51Pour chaque amphore observée sur au moins deux photographies, l’archéologue identifie le type de l’amphore et choisit une classe suggérée par le système, issue de la première source de données (S1). Une instance est créée et nommée de façon univoque, l’utilisateur peut alors commencer la phase de mesure.

52Les mesures ne peuvent être faites que sur les primitives géométriques définies dans le modèle (source S1). La morphologie complète de l’amphore sera déduite de ces primitives géométriques (Voir les points mesurés, en vert, sur la figure 7).

Fig. 7 ‑ Amphores restituées et représentation avec VRML.

Fig. 7 ‑ Amphores restituées et représentation avec VRML.

Le lien avec la base de données est mono directionnel, de la représentation vers la base, il n’est en revanche pas possible (sauf au prix de développement important et d’une perte de portabilité) d’avoir un lien entre la base et la représentation comme par exemple de visualiser le résultat d’une requête sur la base

53Ces mesures sont fortement incomplètes car les amphores ne sont vues que partiellement sur les photographies et par ailleurs beaucoup d’entre elles sont en parties brisées ou envasées. Le rôle du système expert et de la phase de déduction sera de compléter ces observations et, après la fusion des sources S1 et S2, de proposer un modèle complet de chaque instance.

54L’obtention d’une représentation 3D complète de l’amphore passe par la fusion des mesures photogrammétriques (S2) et du modèle théorique (S1). Ces deux sources de données fournissent l’information sur les zones remarquables des amphores, définies par l’archéologue. La méthode de fusion est fournie par inférence sur les sources de données et produit une liste d’actions à réaliser. Dans un second temps, la fusion est effectuée selon les actions correspondantes aux faits générés.

55Les visualisations tridimensionnelles proposées aux archéologues apportent une vision globale du site impossible à obtenir autrement : toutes les amphores sont visibles sur la même image depuis le début de la fouille.

4 ‑ Réalité virtuelle, un passage obligé ?

56Le système présenté ici produit des modèles 3D d’artefacts étudiés, modèles géométriques associés à une base de données archéologique (fig. 7).

57Le lien entre géométrie et connaissance est effectué par l’opérateur et demeure bien sur potentiellement révisable. La dimension la plus importante de ce travail n’est pas la possible exploitation des relevés dans un système de réalité virtuelle mais bien l’utilisation de cette maquette numérique comme interface aux données archéologiques. Cette utilisation peut être pertinente en 3D mais aussi en 2D. Dans tous les cas c’est une approche connexe au Système d’Information Géographique et les développements que nous poursuivons actuellement s’appuient sur ces concepts ainsi que sur les outils utilisés dans cette communauté.

58Ces relevés photogrammétriques, que ce soit l’épave Grand Ribaud F (Drap et Long, 2005) ou bien les autres étudiées dans le cadre du projet VENUS livrent donc un important ensemble de données 3D incluant les références spatiales et la description morphologique de tous les artefacts observés. Cependant, pour de nombreux archéologues la représentation 3D ne semble pas toujours significative voire pertinente, ces derniers préférant travailler avec des cartes 2D plutôt qu’avec des représentations 3D.

59Il était alors important de déterminer les causes d’un tel comportement et d’essayer d’adapter nos outils afin de répondre au besoin.

60Les modèles 3D résultants peuvent avoir une grande utilité par exemple afin de lier plusieurs années de fouille et donc plusieurs couches d’amphore dans une seule représentation, comme dans le cas de la fouille du Grand Ribaud F, (fig. 6).

Fig. 6

Fig. 6

Vue synthétique des amphores découvertes lors des fouilles 2000 et 2001 sur la fouille du Grand Ribaud, Hyères, France. À droite cliché in situ et restitution photogrammétrique

61Néanmoins il convient de noter que les fouilles avec prélèvement sont assez rare en milieu sous‑marin profond, ces fouilles ne pouvant actuellement être automatisées elles sont limitées aux zones accessibles par plongeur et donc, en France, à 60m. Ceci ne représente qu’une toute petite partie des fonds accessibles et actuellement aucune découverte profonde ne peut faire l’objet de fouille. Dans ce cas là l’on se limitera à un relevé de la couche de surface.

62Même si ce relevé est basé sur une technique d’acquisition 3D les résultats le plus adapté serait donc en 2D. Par ailleurs les relevés produits par les archéologues répondent à une forme précise, le mode de dessin et la facture finale étant fortement codifiés.

63Au delà des productions géométriques 3D exprimées dans des langages de scènes traditionnels comme VRML (Virtual Reality Modeling Language) nous avons cherché à générer des représentations 2D qui pourraient évoquer une facture manuelle tout en conservant le lien indispensable entre géométrie et connaissance, entre représentation vectorielle et base de données.

64À partir des données 3D de sites sous‑marins, nous avons développé une application entièrement consacrée à la création automatique de cartes en 2D. Cette cartographie est :

  • obtenue seulement à partir des données 3D;

  • augmentée avec la connaissance, et liée à la base de données archéologique ;

  • aussi proche que possible des dessins archéologiques traditionnels.

65De plus, comme nous travaillons à partir des données visibles des sites étudiés, c’est‑à‑dire à partir d’un seul niveau archéologique (généralement de la couche de surface) des outils SIG standard et conçus pour la 2D terrestre sont tout à fait appropriés.

66Les représentations SIG reposent sur des formats standardisés : le GeoTIFF et le Shapefile (Shapefile est un format de fichier qui est vectoriel, géospatial et qui est développé par la société ESRI ™. Il est utilisé par de nombreux logiciels SIG incluant des projets open source).

67Dans cette optique, nous avons d’une part étudié un ensemble de conventions graphiques utilisé en archéologie sous‑marine et nous avons établi trois règles pour la génération de ces représentations 2D :

  • ne sont représentées que les contours des parties fonctionnelles de l’artefact (panses, anses) ;

  • les contours d’artefacts sont dessinés à partir d’un point de vue unique. Autrement dit, seules les parties visibles sont représentées ;

  • Les arrondis sont mis en exergue par une petite ligne segmentée tracée à côté du contour, et ce en fonction de l’orientation de l’artefact et du point vue choisi pour dessiner.

68L’implantation de ces trois règles s’est faite à l’aide d’algorithmes bien connus en informatique graphique (lignes et faces cachées, opération booléennes sur des polygones), une première étape consiste à représenter les objets à l’aide d’un ensemble de triangles, puis de ne représenter que les triangles visibles depuis le point de vue de l’observateur, enfin un ensemble d’opérations booléennes produit le contour des parties à représenter.

69Les segments de courbure, sont fonctions de l’angle entre le vecteur normal de chaque triangle avec un vecteur lié au point de vue. Le résultat de ce processus est illustré sur la figure 8.

Fig.8

Fig.8

À gauche, algorithme de ligne cachée appliqué à une amphore relevée, au centre : Contour d’amphore : panse et anses. À droite, relevé photogrammétrique, projection 2D et rendu manuel

4.1 ‑ Restitution des tessons

70Nous avons également travaillé sur la représentation des tessons mesurés in situ. Un rendu similaire a été possible en fusionnant trois types d’informations :

  • un ensemble de points mesurés décrivant convenablement la géométrie des tessons, c’est‑à‑dire, un périmètre plus un point définissant la concavité ou la convexité dans le cas d’un fragment de panse. Un périmètre de la fracture dans le cas de col ou d’anse ;

  • le type de tesson (panse, col, pied) et le type d’amphore correspondant ;

  • le modèle théorique 3D type de l’amphore identifiée.

71À partir de ces données, nous avons développé une méthode de restitution spécifique. Celle‑ci repose sur l’identification de chaque tesson en fonction des typologies connues et établies par les céramologues. La méthode retenue, assez simple, est articlée en deux étapes. La première consiste à faire coïncider le contour du tesson à celui du modèle théorique correspondant et la deuxième, à en extraire la partie concernée à l’aide du modèle 3D correspondant (fig. 9).

Fig. 9

Fig. 9

Représentation 2D automatiquement produite à partir de la simulation 3D du dessin archéologique traditionnel. Différents points de vue du même artefact en 3D

4.2 ‑ Exportation automatique en formats standards

72Les représentations géométriques 2D des artefacts, produites dans le cadre de ce projet, sont intégrées dans un système d’information géographique que nous avons spécifiquement développé. Il est toujours délicat de justifier le développement d’un nouvel outil ressemblant fortement à d’autres déjà existant … (fig. 10).

Fig. 10

Fig. 10

Représentation 2D automatiquement générée à partir des relevés photogrammétriques 3D. L’interface de visualisation autorise une réelle connexion bidirectionnelle entre les représentations 2D des objets archéologiques et la base de données

73Dans notre cas la justification est qu’un système d’information repose sur l’interaction géométrie / données non graphiques et que pour nous la partie connaissance, structuration des données, requêtes, liens entre les données archéologiques et les modèles théoriques ainsi que leur représentation graphique 3D existait déjà. La seule production nouvelle d’une représentation 2D ne pouvait être suffisante pour ne pas utiliser le système existant.

74Nous avons donc développé une interface 2D aux modèles 3D déjà présent dans notre approche. Notre choix s’est porté sur GeoTools, une bibliothèque open source en JAVA qui fournit des méthodes adaptées aux normes de manipulation de données géospatiales. La bibliothèque Geotools gére un grand nombre de formats standard SIG et plus particulièrement le GeoTIFF et les formats Shapefile.

75L’interface SIG développée sur GeoTools autorise une liaison directe et bidirectionnelle entre la base de données et le SIG.

Conclusions et perspectives

76À partir de l’enregistrement informatisé de toutes les données de la fouille, l’archéologue est désormais capable d’obtenir des représentations 2D ou 3D, précises, et d’interagir dans des fac‑similés fidèles construits au plus près du terrain et visualisable à l’aide de logiciels désormais courants. Ainsi, pouvons‑nous considérer comme Jean Leclant que « désormais les techniques les plus modernes, avec toutes leurs promesses d’avenir, participent à la quête ardente de l’homme vers son passé » (Leclant, 1996).

77Nous avons présenté une approche multimodale du relevé sous‑marin dans le contexte de l’archéologie, d’une part le relevé acoustique, les SONAR multifaisceaux permettent d’obtenir une représentation 3D du paysage sous‑marin, sans notion colorimétrique mais sur une échelle assez petite permettant une représentation fine du site et de ses alentours ; d’autre part la photogrammétrie sous‑marine permet une représentation du site à une échelle bien plus grande, celle des artefacts.

78Mais au‑delà du procédé de photogrammétrie sous‑marine, il faut retenir la notion de modèle à partir duquel sont générés les fac‑similés des artefacts issus d’un nombre restreint de points mesurés qui fournissent leurs positions, orientations et paramètres géométriques. C’est‑à‑dire que l’ensemble des amphores et fragments visibles est modélisé à partir d’un concept, enrichi de la lecture de chaque objet, avec ses mensurations et ses caractéristiques propres. C’est par ce principe rationalisant que l’archéologue peut visualiser l’ensemble d’un site dont il n’a acquis jusque‑là, sur le terrain, qu’une vision parcellaire.

Top of page

Bibliography

Bass G. F., (1970), Archaeology under Water, Penguin Book, Harmondsworth, Pelican Book.

Bass G. F., Rosencrantz D., (1973), L’utilisation des submersibles pour les recherches et la cartographie photogrammétrique sous‑marine, in L’archéologie subaquatique, une discipline naissante, Paris. p. 285‑298.

Bellettini A., Pinto M., (2009), Design and experimental results of a 300 kHz synthetic aperture side‑scan sonar optimized for shallow water operations, IEEE Journal Oceanic Engineering, 34, p. 285‑293.

Blondel P., (2008), The handbook of side‑scan sonar, Springer/Praxis, Berlin, 316 p. 

Bowen A. et al., (2009), The Nereus hybrid underwater robotic vehicle, The International Journal of the Society for Underwater Technology, 28, 3, p. 79–89.

Buchsenschutz O., (2007), Images et relevés archéologiques, de la preuve à la démonstration, Introduction au 132e congrès national des sociétés historiques et scientifiques, Arles, Éditions du Cths (édition électronique), p. 5.

Conte G., Scaradozzi D., Zanoli S., Gambella L., Marani G., (2008), Underwater SLAM with ICP Localization and Neural Network Objects Classification, ISOPE The International Society of Offshore and Polar Engineers, Vancouver, Canada. II, p. 351‑358.

Delgado J. P., ed., (1997), Encyclopedia of Underwater and Maritime Archaeology, Yale University Press, 493 p. 

Drap P., Seinturier J., Long L., (2003), Archaeological 3D Modelling using digital photogrammetry and Expert System. The case study of Etruscan amphorae, in The Sixth International Conference on Computer Graphics and Artificial Intelligence, Limoges.

Drap P., Durand A., Provin R., Long L., (2005), Integration of Multi‑Source Spatial Information And XML Information System in Underwater Archaeology, XX International Symposium, The Cipa International Archive for Documentation of Cultural, FIORDO‑Galliate, Turin, Italie. XX, 2, p. 765‑771.

Drap P., Long L., (2005), Photogrammétrie et archéologie sous‑marine profonde. Le cas de l’épave étrusque Grand Ribaud F, XYZ, vol. 103 et 104.

Drap P., Scaradozzi D., Gambogi P., Gauch F., (2008), Underwater photogrammetry for archaeology – The VENUS project framework, GRAPP 2008 : Proceedings of the Third International Conference on Computer Graphics Theory and Applications, p. 485‑491.

Drap P., Seinturier J., Conte G., Caiti A., Zanoli S., Gambogi P., (2008), Underwater cartography for archaeology in the VENUS project, Geomatica, The Journal of Geospatial Information Science, Technology And Practice, 62, 4, p. 419‑428.

Fusiello A., Murino V., (2000), Calibration of an Optical‑Acoustic Sensor, Machine Graphics & Vision, 9, p. 207–214.

—, (2004), Augmented Scene Modeling and Visualization by Optical and Acoustic Sensor Integration, IEEE transaction on Visualization and computer graphics, 10, p. 625‑636.

Ginouvès R., (1987), Les techniques du relevé, Dossier histoire et archéologie, 119, p. 7‑9.

Green J., (1990), Maritime archaeology : a technical handbook, Academic Press, London, 304 p. 

Hesnard A., (1988), L’épave romaine Grand Ribaud D, Archaeonautica, 8, 180 p. 

—, (1989), L’épave Grand Ribaud D. Les apports de la photogrammétrie sous‑marine, Le courrier du CNRS, 73, p. 66‑67.

Hurtós N., Cufí X., Salvi J., (2010), Integration of optical and acoustic sensors for underwater scene reconstruction. Instrumentation Viewpoint, 8, 43 p. 

Leatherdale J. D., Turner J., (1991), Operational experience in underwater photogrammetry, ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 46, p. 104‑112.

Leclant J., (1996), Préface, in Archéologie virtuelle, le passé retrouvé. Forte Maurizio, 295 p. 

Liou B., (1973), Recherches archéologiques sous‑marines, Gallia, 31, p. 571‑608.

Lurton X., (2002), An introduction to underwater acoustics ‑ principles and applications, Spinger/Praxis, Berlin, 388 p. 

Martin D., Ferrari B., Oxley I., Redknap M., Watson K., (1992), Archaeology Underwater: NAS Guide to Principles and Practice, Nautical Archaeology Society ed. Dorchester, Dorset, UK.

Nato Undersea Research Centre, (2008), Research and Technology Highlights, [en ligne].

Pizarro O., Eustice R. M., Singh H., (2009), Large Area 3‑D Reconstructions From Underwater Optical Surveys, IEEE Journal of Oceanic Engineering, 34, p. 150‑169.

Pomey P., Rieth E., (2005), L’archéologie navale, Errance, 215 p. 

Seong T. C., Seet G., Sluzek A., Duomin H., (2005), A novel application of range‑gated underwater laser imaging system (ULIS) dans near‑target turbid medium, Optics and Lasers in Engineering, 43, p. 995‑1009.

Singh H., Adams J., Mindell D., Foley B., (2000), Imaging Underwater for Archaeology, Journal of Field Archaeology, 27, p. 319‑328.

Singh H., Roman C., Pizarro O., Eustice R., Can A., (2007), Towards High‑resolution Imaging from Underwater Vehicles, The International Journal of Robotics Research, 26, p. 55‑74.

Sluzek A., Seong T. C., (2008), Novel results in short‑range visualization and vision systems based on gated imaging, in Proceedings of the 6th WSEAS International Conference on Applied Electromagnetics, Wireless and Optical, Editor, p. 21‑27. Trondheim, Norway : World Scientific and Engineering Academy and Society (ed.), isbn/issn : 978‑960‑6766‑79‑4.

Smith R., Self M., Cheeseman P., (1987), Estimating uncertain spatial relationships in robotics, IEEE International Conference on Robotics and Automation, Raleigh, North Carolina, USA.

Tchernia A., Pomey P., Hesnard A., (1978), L’épave romaine de La Madrague de Giens (Var), Supplément à Gallia, 34, 122 p.

Top of page

List of illustrations

Title Fig.1
Caption Configuration géométrique pour la détermination de la résolution le long de la trace (along track) et en visée latérale (across track) d’un MBE
Credits formule de Lurton, 2002)
URL http://mediterranee.revues.org/docannexe/image/6032/img-1.png
File image/png, 99k
Title Fig. 2
Caption Robot téléguidé par câble (ROV) utilisé pour l’acquisition simultané d’image optique e acoustique durant les opérations de relevé sur le site de Pianosa (Italie) dans le cadre du projet VENUS
URL http://mediterranee.revues.org/docannexe/image/6032/img-2.png
File image/png, 697k
Title Fig. 3
Caption Détail de la bathymétrie du site de Pianosa recueillie avec un système Seabat 8125 (Reson) a 445 kHz à une hauteur de 30m. La bathymétrie est représentée avec une illumination artificielle et est confrontée à la carte préexistante (à droite) élaborée manuellement par les archéologues plongeurs. Les artefacts de taille importante sont directement visibles sur la bathymétrie
URL http://mediterranee.revues.org/docannexe/image/6032/img-3.png
File image/png, 810k
Title Fig. 4 ‑ Image acoustique obtenue à l’aide d’un système SSS à ouverture cinétique
Caption Les anomalies morphologiques son reconnaissables aux ombres projetées sur l’image. L’anomalie à droite sur l’image est due à la présence de dolia d’origine romaine. L’anomalie visible sur la partie gauche de l’image est d’origine géologique
Credits (NATO, 2008)
URL http://mediterranee.revues.org/docannexe/image/6032/img-4.png
File image/png, 749k
Title Fig. 5
Caption De gauche à droite : le modèle graphique élaboré par les archéologues, puis représentations numériques de ce modèle
URL http://mediterranee.revues.org/docannexe/image/6032/img-5.png
File image/png, 107k
Title Fig. 7 ‑ Amphores restituées et représentation avec VRML.
Caption Le lien avec la base de données est mono directionnel, de la représentation vers la base, il n’est en revanche pas possible (sauf au prix de développement important et d’une perte de portabilité) d’avoir un lien entre la base et la représentation comme par exemple de visualiser le résultat d’une requête sur la base
URL http://mediterranee.revues.org/docannexe/image/6032/img-6.png
File image/png, 408k
Title Fig. 6
Caption Vue synthétique des amphores découvertes lors des fouilles 2000 et 2001 sur la fouille du Grand Ribaud, Hyères, France. À droite cliché in situ et restitution photogrammétrique
URL http://mediterranee.revues.org/docannexe/image/6032/img-7.png
File image/png, 331k
Title Fig.8
Caption À gauche, algorithme de ligne cachée appliqué à une amphore relevée, au centre : Contour d’amphore : panse et anses. À droite, relevé photogrammétrique, projection 2D et rendu manuel
URL http://mediterranee.revues.org/docannexe/image/6032/img-8.png
File image/png, 53k
Title Fig. 9
Caption Représentation 2D automatiquement produite à partir de la simulation 3D du dessin archéologique traditionnel. Différents points de vue du même artefact en 3D
URL http://mediterranee.revues.org/docannexe/image/6032/img-9.png
File image/png, 39k
Title Fig. 10
Caption Représentation 2D automatiquement générée à partir des relevés photogrammétriques 3D. L’interface de visualisation autorise une réelle connexion bidirectionnelle entre les représentations 2D des objets archéologiques et la base de données
URL http://mediterranee.revues.org/docannexe/image/6032/img-10.png
File image/png, 594k
Top of page

References

Electronic reference

Pierre Drap and Andrea Caiti, « Relevés optiques et acoustiques pour l’archéologie sous‑marine », Méditerranée [Online], 117 | 2011, Online since 31 December 2013, connection on 28 April 2017. URL : http://mediterranee.revues.org/6032 ; DOI : 10.4000/mediterranee.6032

Top of page

About the authors

Pierre Drap

LSIS Laboratoire des Sciences de l’Information et des Systèmes, UMR CNRS 6168, Pierre.Drap@esil.univmed.fr

Andrea Caiti

ISME, Interuniversity Center of Integrated Systems for the Marine Environment, c/o DIST, Università di Genova, Italy, caiti@dsea.unipi.it

Top of page

Copyright

Tous droits réservés

Top of page