1La photogrammétrie connaît aujourd’hui un essor important dans la communauté archéologique, lié au développement des outils numériques, appareils et logiciels, et à son faible coût1. Le parallèle peut être fait avec le moulage et ses différentes techniques de prises d’empreintes, manuelles puis par scanner, pour l’aspect conservation. En effet, dans les deux cas, la conservation des pièces ou des structures qui doivent disparaître est primordiale. La photogrammétrie permet l’acquisition plus ou moins rapide d’un modèle 3D de l’objet ou de la structure à conserver, modèle qui est un support de conservation et support pour la valorisation et la diffusion des savoirs, mais également support de travail pour les spécialistes. Les sites de la grotte du Grand Serre (Presles, Isère, France) et de Gontsy (Ukraine) ont servi d’exemples pour illustrer les différentes approches photogrammétriques utilisées pour l’étude des sites.

2Cette méthode a été mise en œuvre dès le début des fouilles dans la grotte du Grand Serre, avec pour objectif d’étudier un site difficile d’accès, de visualiser les travaux au fur et à mesure de la progression des fouilles et de pouvoir présenter une restitution évolutive du site, et ce dès les premières opérations de terrain.

3À Gontsy, l’approche est différente ; le site est fouillé depuis de nombreuses campagnes et un ensemble de structures complexes a été dégagé. Un modèle 3D, obtenu par photogrammétrie numérique, a déjà été réalisé pour une restitution 3D de l’ensemble du site à cabanes en os de mammouths et une présentation muséographique2. Au cours de l’étude précise des structures, des relevés plus ponctuels ont été nécessaires pour obtenir des objets 3D permettant de visualiser les phases d’effondrement des objets et les superpositions d’ossements, et de modéliser les différentes périodes d’utilisation et de construction des structures. Ces restitutions 3D sont particulièrement importantes pour des fouilles situées à l’étranger, dont le matériel archéologique n’est pas accessible en permanence.

Méthodologie

4Le modèle 3D est aujourd’hui très répandu en archéologie. Son acquisition se fait par le biais de différentes techniques : la lasergrammétrie et la photogrammétrie. La photogrammétrie est une technique permettant de capturer la réalité pour créer un modèle numérique réaliste sur la base de photographies3. Dans notre cas, l’acquisition se fait manuellement, par des prises de vues depuis le sol. La difficulté réside dans le fait de parvenir à photographier depuis un angle pertinent afin d’avoir la meilleure reconstruction photogrammétrique possible. La qualité de la méthode d’acquisition est donc directement liée à la procédure de prise de vues.

5La procédure de l’acquisition des données nécessaires à la restitution du modèle 3D est décrite aussi bien dans les notices d’utilisation des logiciels (Agisoft Metashape, par exemple), dans les cours en libre accès sur Internet que dans des ouvrages, et peut se résumer en quatre étapes : l’acquisition photographique, le traitement photogrammétrique des données, le travail sur le modèle, et la livraison de ce dernier4.

6Entre la théorie et la pratique, il y a souvent un pas à franchir. Dans l’exemple de la grotte du Grand Serre, il est impossible d’être à une distance régulière de l’objet, tout comme il est impossible d’effectuer les prises de vue avec un éclairage régulier, sans ombre, dans une grotte profonde. Afin d’avoir le meilleur rendu possible, les clichés sont plus nombreux, avec une forte zone de recoupement et un éclairage direct sur la zone à photographier.

La grotte du Grand Serre : pourquoi un relevé 3D ? Un choix dès le début de la fouille

Présentation du site

7La grotte du Grand Serre est située sur la commune de Presles, en Isère. Elle comprend un couloir de 2 à 3 m de large, long de 45 m, et une salle assez réduite de 10 m de long sur 4 m de large.

8La grotte a servi d’abri pour des charbonniers qui exploitaient la forêt des Coulmes, et a été fréquentée par des spéléologues explorant le karst de ce massif.

9Des fouilles ont été entreprises durant l’été 2018, où une campagne de sondages et de relevés (topographiques et 3D, pour état des lieux) a été effectuée5. Le remplissage date du Pléistocène supérieur. L’accumulation d’ossements et l’industrie lithique sont attribuées au Paléolithique moyen. Les niveaux archéologiques, essentiellement 2 niveaux fouillés jusqu’à présent, ont été dégagés sur 2 sondages de près d’un mètre de profondeur. Le choix méthodologique d’utiliser la photogrammétrie a été décidé dès le début de l’opération, ce qui a permis d’exploiter les données classiques archéologiques du site (coupes, profils, plans et bases de données), une fois numérisées, de façon plus rapide et approfondie, en particulier pour les rapports et la visualisation des problématiques de terrain lors des échanges avec les spécialistes des disciplines environnementales (sédimentologie, stratigraphie, palynologie et paléontologie, datations).

La grotte : les contraintes et la démarche mise en œuvre

10La grotte du Grand Serre est un boyau dans un réseau karstique, ce qui entraîne plusieurs contraintes : la lumière, le relief, l’exiguïté et la brillance.

• La grotte est un boyau profond, tout en longueur, et par conséquent dans une totale obscurité (fig. 1). Se pose alors le problème de l’éclairage, de façon à procéder aux relevés photographiques. La lumière issue de spots entraîne forcément des zones d’ombre et de densité différentes.
• Les parois de la grotte sont loin d’être lisses, et dans certains secteurs sont particulièrement découpées, présentant des concrétions et des fissures (fig. 2). Il est donc nécessaire de procéder à de nombreuses prises de vue, de façon à pallier les nombreuses irrégularités de la paroi. Ce travail est d’autant plus méticuleux que s’ajoute le problème de la lumière, et donc des ombres portées.
• La grotte présente des zones où il est impossible d’avoir le recul nécessaire aux prises de vues. Il est même impossible d’y glisser l’appareil photo. Par conséquent, il importe de s’adapter à cette contrainte et de trouver une solution pour procéder aux relevés afin d’éviter les manques dans le futur modèle 3D. Dans ce cas précis, les photographies ont été réalisées avec un téléphone mobile, très plat, qui a pu être glissé dans ces zones.
• Le fond de la grotte, dans un karst encore très actif, correspond à une petite salle avec des draperies. Les parois, de ce fait, sont recouvertes d’un film d’eau, ce qui induit un aspect brillant et pose un problème de réflexion de la lumière (fig. 3).

Fig. 1. – Grotte du Grand Serre (Presles, Isère) : relevé photographique en milieu obscur.

Fig. 2. – Grotte du Grand Serre (Presles, Isère) : détail de la paroi avec ses reliefs et les jeux d’ombre provoqués par la lumière artificielle.

Fig. 3. – Grotte du Grand Serre (Presles, Isère) : entrée de la salle des Draperies avec ses parois humides reflétant la lumière.

11Compte tenu de tous ces paramètres, la démarche mise en œuvre consiste à procéder par tronçons ou secteurs pour l’acquisition des données brutes, de façon à réaliser à terme le relevé complet de la grotte. Cependant, dans un premier temps, l’accent a été mis sur la conservation des traces du passé (charbonnière, passage des spéléologues) ainsi que sur les sondages et les zones fouillées, de façon à conserver un avant et un après pour chaque intervention lors des campagnes de fouille.

Premiers résultats

12Les premiers tests de restitution de modèles 3D ont été réalisés dans 4 secteurs principaux de la grotte, bien séparés les uns des autres : le porche, la zone à 11 mètres de l’entrée, la zone de fouille et la salle du fond. Le secteur du porche est celui où se trouvait la charbonnière. La restitution de ce secteur a permis de bien mettre en évidence le pendage et le léger creusement de ce secteur. La zone à 11 mètres correspond à une zone de remaniement par les spéléologues. Les zones de déblais le long des parois sont bien identifiées. La restitution de ces deux secteurs permet un état des lieux des modifications antérieures à la reprise des fouilles, intégrant les dégradations par différents acteurs : spéléologues, charbonniers, visiteurs (fig. 4).

Fig. 4. – Grotte du Grand Serre (Presles, Isère) : vue du boyau avec décaissement et déblais contre les parois par les spéléologues.

13La zone de fouille est située entre un boyau et la salle des Draperies. Elle correspond à une surface d’environ 9 m². Compte tenu du faible espace, seuls deux carrés de fouille sont ouverts simultanément. L’acquisition des données se fait en début et en fin de campagne de fouilles. Le traitement des données et la restitution du modèle 3D se font directement sur site, de façon à garantir les données brutes (rappelons que les prises de vues sont délicates, car réalisées en lumière artificielle). Ces relevés sont les supports majeurs de l’étude multidisciplinaire de la zone. Ils permettent de visualiser les coupes avec la succession des planchers stalagmitiques, les couches archéologiques, la trace des prélèvements de différentes natures, les plans et les parois (fig. 5). En laboratoire, l’intégration des profils de position des objets, matérialisés par le modèle 3D de l’objet ou par un symbole correspondant à sa position, son pendage et ses dimensions, est réalisée. Cet outil permet de visualiser, pour l’ensemble de l’équipe, la position précise du matériel fouillé et de faire une étude relative des pièces entre les zones plus ou moins éloignées.

Fig. 5. – Grotte du Grand Serre (Presles, Isère) : nuage de points (a) et modèle 3D (b) d’une zone de fouille où une carotte sédimentologique a été réalisée.

14Enfin, la salle des Draperies a fait l’objet d’un relevé photographique portant surtout sur le sol, afin de garder une trace du décaissement et du remaniement de ce dernier par les spéléologues qui cherchaient une issue pour rejoindre le réseau karstique du plateau des Coulmes. Le relevé de la salle en elle-même et en totalité devra être réalisé dans le futur en tenant compte des contraintes déjà mentionnées et en y ajoutant le problème de la hauteur de la voûte.

15Dans une démarche d’enregistrement des données évolutives, les nouvelles opérations de terrain ont permis de continuer l’acquisition de photos pour compléter ou corriger les résultats obtenus au cours de la campagne précédente. Pendant la campagne de fouille, un archéologue est occupé en permanence par ces questions, qui sont devenues essentielles. Cette démarche de validation permet la mise au point de nouveaux procédés et d’appliquer des méthodes de plus en plus simples et précises pour atteindre les objectifs initiaux, mais également de proposer de nouvelles perspectives de recherches.

La reconstitution d’une zone d’habitat : l’exemple du site de Gontsy, en Ukraine

Le site de Gontsy

16Le site de Gontsy est un ensemble de plusieurs structures, dont les fameuses cabanes en os de mammouths qui ont été dégagées lors des campagnes de fouilles de 1993 à 2018 (fig. 6). Le site est situé dans un méandre de l’Udai, rivière tributaire du Dniepr, sur un promontoire dégagé par deux ravines. Les paléoravines ont fonctionné comme des pièges pour les troupeaux de mammouths de la fin des temps glaciaires. Ces accumulations d’ossements, ou bone beds, ont servi en partie de réserves de nourriture, mais également de sources de matière première pour la construction des cabanes sur le promontoire.

Fig. 6. – Site de Gontsy (Ukraine) : cabanes n^o 4, 5 et 6.

17La zone d’habitat est constituée de plusieurs cabanes entourées d’un nombre variable de fosses et, entre les cabanes, de zones d’activités et de foyers extérieurs. À l’extérieur des cabanes se trouvent les zones de vidange de foyers et des dépotoirs, marques d’une activité régulière de nettoyage de l’habitat. Plus loin encore se trouvent des zones de dépeçage des animaux apportés entiers sur le site : rennes, carnivores, rongeurs. Le site n’a donc pu fonctionner qu’une saison, du printemps à la fin de l’automne, ou au maximum à quelques reprises, tant que les carcasses, stockées également dans les fosses, ont pu fournir des os frais pour la combustion et de la viande pour l’alimentation. Ce complexe est daté entre 14 110 et 14 620 ans BP, et est attribué au complexe des cabanes méziniennes des bassins du moyen et haut Dniepr6.

18Les cabanes en os de mammouths sont de taille variable. La cabane n^o 1, d’environ 8 m de diamètre, construite sur un cercle de fondations de 28 crânes, a été découverte en 1915. La cabane n^o 2 est une petite cabane de 3 x 2 m, située près de la cabane n^o 1 et découverte en 1998. La cabane n^o 3 est une grande cabane découverte en 2009 ; son décapage a été terminé en 2015. La cabane n^o 4 est de taille moyenne, de 3 x 4 m, découverte et entièrement décapée en 2010 et 2011. La cabane n^o 5 est une grande cabane de près de 8 m de diamètre, découverte en 2011 et décapée en 2012 et 2013. Son pourtour nord a été décapé en 2018. La cabane n^o 6, décapée en 2015 et 2016, mesure 4,5 x 2,5 m7.

19Les accumulations correspondant à ces cabanes sont d’autant plus complexes à étudier qu’elles correspondent à plusieurs phases : construction, puis utilisation et restauration, abandon et destruction partielle par récupération de certains éléments, puis destruction complète, enfouissement sous 60 cm de loess, et enfin incendie des fragments superficiels, en particulier les éléments de crânes proéminents. L’étude du site consiste en particulier à comprendre les différentes phases, à les identifier, à les séparer et à restituer virtuellement l’architecture des cabanes lors de l’occupation des Hommes méziniens.

Le site de Gontsy : les contraintes et la démarche mise en œuvre

20Outre le fait que ces fouilles soient situées en Ukraine, le chantier n’est pas accessible de façon permanente. Le matériel prélevé, important, est conservé dans un laboratoire sur place, mais l’ensemble des éléments constituant les structures de cabanes restent in situ sous un grand hangar de protection, de dimensions 25 x 40 m, construit pour protéger le site des intempéries. Ce choix de préservation des cabanes entraîne un suivi très minutieux de la conservation des fossiles, des conditions de température et d’humidité, qui réduit drastiquement l’accès à ces structures.

21Les contraintes d’obtention des données ont été précisées lors de l’acquisition et de la phase de préparation du modèle 3D de l’ensemble du site8 : l’absence de luminosité dans le hangar, ou des éclairages très différents selon la période de la journée et l’insolation journalière ; les prises de vues avec peu de contraste, car les ossements ont la même couleur que le loess ou le sédiment encaissant ; la faible discrimination des ossements : les accumulations correspondant aux cabanes sont constituées de plusieurs crânes altérés, de nombreuses omoplates, de nombreuses défenses, des bassins, qui présentent donc des formes similaires.

22Ces accumulations complexes, pouvant comprendre jusqu’à 10 pièces superposées, entraînent l’existence de zones aveugles (fig. 7).

Fig. 7. – Site de Gontsy (Ukraine) : superposition d’omoplates au centre de la cabane n^o 5.

23Le plus gros handicap est l’accès à la zone de fouille, très difficile. La fouille fine du site s’est déroulée par bandes d’un mètre de large, et une fois le dégagement des ossements effectué, il est très compliqué, voire impossible, d’accéder aux superpositions d’omoplates ou de défenses. Le cas du centre de la cabane n^o 5 est particulièrement complexe.

24Pour le travail d’interprétation des structures, il est donc nécessaire de préparer des relevés ponctuels, avec des photos relativement proches des objets (environ 2 m), ce qui permet de réduire l’absence de contraste et les zones aveugles.

Premiers résultats

25Le crâne de mammouth fracturé (CR 1311), découvert dans la zone intermédiaire entre le centre de la cabane n^o 5 et la paroi, s’est cassé en 3 gros éléments, associés à une diaphyse de jeune mammouth. La question était de savoir si l’ensemble des 3 gros éléments, la zone maxillaire posée sur la face et l’arrière-crâne posé sur la zone temporale, correspondait à 1 ou 2 crânes. Pourquoi ce crâne se trouvait-il dans une position très différente de celle des autres crânes (n = 30) qui constituent plutôt la base de la paroi de la cabane n^o 5, appelés aussi crânes de fondation ?

26Nous avons pu, au cours de l’étude systématique de la taille et de l’âge des crânes, prendre les photos nécessaires à la préparation d’un modèle 3D pour cet ensemble de fragments crâniens en particulier. L’image 3D de cette zone a montré que les différents éléments crâniens, une fois séparés numériquement, ne se superposent pas sur le crâne de mammouth de comparaison, mais les bords de fractures coïncident au moins sur un côté. Il s’agit donc bien d’un seul et même crâne, qui s’est fracturé en tombant et en roulant vers l’intérieur de la cabane. Le fémur de jeune mammouth associé au crâne a perdu son extrémité distale non soudée ; cette dernière est effectivement toujours en place au niveau de la paroi externe de la cabane. Une reconstitution de la forme initiale du crâne (fig. 8) a été possible en utilisant les images numériques pour retrouver les connexions entre les différents éléments. Son orientation précise avant la fragmentation de la calotte crânienne, posée sur le côté, a été déduite d’après l’orientation des molaires, en le comparant au crâne complet numérisé. La position de l’extrémité distale du fémur a permis de déduire que cet os long, qui servait à caler le crâne dans la paroi, a basculé vers le centre de la cabane.

27Ce scénario n’aurait pas pu être validé sans l’apport des modèles numériques des fossiles en place et du crâne de mammouth de comparaison. Ce crâne a d’ailleurs été moulé par une imprimante 3D, en modèle réduit ; c’est la meilleure solution pour transporter des éléments de comparaison sur le site lui-même et reconstituer les orientations des différents éléments constitutifs des structures. Cette étape d’observation et de description de chaque os permet de comprendre les différentes phases de construction, d’utilisation puis de destruction des cabanes.

Fig. 8. – Site de Gontsy (Ukraine) : le crâne CR 1311.

Conclusion : utilisation nécessaire des méthodes de photogramétrie low cost

28Le développement rapide de la photogrammétrie numérique soulève un questionnement quant à la sauvegarde des données et à la pérennité des supports d’enregistrements. Il apparaît nécessaire de conserver le modèle 3D, mais aussi les données brutes et tout ce qui se rapporte à la démarche de mise en œuvre : protocoles d’acquisition, matériel photographique utilisé et logiciels. Il ne faut pas perdre de vue que les données brutes peuvent être complétées au fur et à mesure des travaux des archéologues, d’où l’importance de consigner toutes ces informations. Toutefois, toutes ces documentations et fichiers de données brutes de modèles 3D ne peuvent remplacer les observations faites lors de la fouille, ni les données brutes de terrain, relevés des coupes et plans des décapages9.

29La photogrammétrie est un outil indispensable à l’archéologue au même titre qu’une truelle ou un pinceau. Son utilisation est d’autant plus facile que, aujourd’hui, appareils photo numériques, logiciels et ordinateurs sont devenus accessibles pour les laboratoires de terrain, ce que certains qualifient de méthode low cost10. Il n’en reste pas moins que cette méthode reste un complément du travail classique de l’archéologue. Le modèle 3D devient un support privilégié pour les échanges entre les chercheurs et pour la valorisation de la recherche scientifique. La question qui se pose maintenant, liée à la masse de données, est celle de la sauvegarde des données et de la conservation de ces dernières.