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Compte-rendu : goûter de la géomatique du 3 avril 2014

15h : début de la séance spéciale sur le LiDaR (Light Detection and Ranging) ou le système laser aéroporté

Pour ce goûter d’avril étaient présents Laure, Ludovic, Maxime, Delphine, Luc, Emmanuel, Justin, Jean-Luc et Thomas.

La séance commence par un retour sur la présentation de Justin qui présente ses nouvelles modélisations du climat dijonnais. Il mentionne également un article paru sur Cybergéo qui complète le compte-rendu de son intervention.

L’apport des technologies LIDAR pour la recherche en archéologie

Cette intervention sur le LIDAR se fait à deux voix : Laure par une présentation proposée aux physiciens du GDR onde et Emmanuel de retour de la convention européenne sur le LIDAR sous couvert forestier (TRAIL).

L’archéologue peut obtenir des informations archéologiques de deux façons : par des prospections ou par la détection des « anomalies ». Le milieu forestier, à la terre peu travaillée, conserve très bien ces anomalies : tertres (pierriers), excavations, tertres fouillés, fours à chaux, pierres dressées (habitats), longs linéaires (parcellaire agricole, habitats)…. La forêt reste cependant très difficile à prospecter aussi bien de manière terrestre que par photographie aérienne.

L’utilisation du LIDAR en archéologie a commencé au début des années 2000 chez les Anglo-saxons, les Allemands et les Autrichiens. Il permet d’obtenir une couverture du relief sur de grandes zones, à très haute résolution (de l’ordre du décimètre) quand les prospections archéologiques se limitent à de petits espaces. La forêt fait partie de ces zones couvertes : la technologie apporte donc une innovation technique importante.

Le LIDAR émet des impulsions infrarouge qui permettent d’enregistrer la distance entre un obstacle/objet au sol et le scanneur embarqué en vol. Dès que le faisceau rencontre un obstacle, un écho est retourné.

Principe du système laser aéroporté LIDAR (Light Détection and Ranging) (d'après Ž. Kokalj et K. Oštir dans Rodier X., Barge O., Saligny L., Nuninger L. and Bertoncello F., Information Spatiale et Archéologie  Paris : Errance., 2011)
Principe du système laser aéroporté LIDAR (Light Détection and Ranging)
D’après Ž. Kokalj et K. Oštir dans Rodier X., Barge O., Saligny L., Nuninger L. and Bertoncello F., Information Spatiale et Archéologie Paris : Errance, 2011

On obtient ainsi un nuage de point en 3D, géoréférencé grâce aux stations de base GPS.

Nuage de points bruts du secteur "temple de Janus" (localisé à droite). On remarque la présence des fils électriques, voire d'oiseaux que le post-traitement permet d’effacer ; (Source : Acquisition Lidar Autun 2013)
Nuage de points bruts du secteur « temple de Janus » (localisé à droite). On remarque la présence des fils électriques, voire d’oiseaux que le post-traitement permet d’effacer.
Source : Acquisition Lidar Autun 2013

Quelques éléments techniques du cahier des charges

Laure et Ludovic rappellent l’importance de la rédaction d’un cahier des charges adapté à sa problématique (densité de points au mètre carré, précision des échos…). La plateforme technologique et géomatique Bourgogne-Franche Comté a participé à l’acquisition de plusieurs campagnes de données LIDAR afin d’utiliser ces données pour la recherche : pour le groupement d’intérêt public (GIP) du futur parc national dans le Châtillonnais, pour la ville d’Autun et la côte viticole au sud de Dijon.

Zones des acquisitions et projets du GEOBFC de la MSH. Source : Google
Zones des acquisitions et projets du GEOBFC de la MSH.
Source : Google

L’acquisition, réalisée par un prestataire extérieur, s’effectue par hélicoptère, par avion et le sera bientôt par drone pour les petites surfaces. Compte-tenu du caractère venté de la Bourgogne, l’acquisition s’est effectuée par avion. La période durant laquelle l’acquisition est possible est très courte. L’absence de feuilles aux arbres demande d’effectuer les vols en hiver, mais hors des jours de pluie, brouillard, neige (la technologie permettant de traverser la neige existe mais est beaucoup plus chère) et de fortes rafales de vent.

Traitements effectués après l’acquisition

La classification des points selon leur hauteur et les traitements effectués permet d’obtenir plusieurs livrables : modèle numérique de surface (sol et hors-sol), modèle numérique de terrain (sol), modèle numérique de canopée (végétation)…

Exemple de modèle numérique de surface
Exemple de modèle numérique de surface.
Source : LIDAR Autun 2013

La classification est d’abord automatisée. Elle demande ensuite à être semi-manuelle pour être adaptée aux thématiques (détecter de petites structures qui seraient lissées et donc disparaitraient avec des classifications mal adaptées).

Emmanuel travaille à l’automatisation de ces critères et de ces indices de détection des structures archéologiques.

 

Une pause s’en suit entre les deux présentations avec petits financiers, grosses tuiles aux amandes, tarte sablée au chocolat… Merci aux pâtissiers !

Quel indice utiliser pour chaque anomalie archéologique ?

Pour reconnaître les anomalies sur les données issues du LIDAR, une méthodologie spécifique a été mise en place.

Sur le secteur du Châtillonnais, bien connu grâce aux relevés GPS, une typologie des structures archéologiques a été créée selon des critères de formes. A partir de cette typologie effectuée sur le terrain, on cherche à retrouver des structures identiques dans les données LIDAR. Plusieurs indices participent à la classification de ces anomalies.

L’ombrage (hillshade en anglais) est un indice de visualisation qui permet d’observer les variations topographiques à partir d’une source lumineuse virtuelle selon un azimut (angle formé depuis le Nord géographique) et selon un angle vertical (angle formé entre l’horizon et la source lumineuse). Les structures linéaires parallèles à l’azimut choisi ne seront pas visibles sur l’indice. Il est donc nécessaire d’utiliser plusieurs azimuts pour voir l’ensemble des structures. Pour s’affranchir de cet effet et limiter la manipulation de nombreux fichiers, une Analyse en Composantes Principales (ACP) peut être effectuée sur un jeu d’ombrages. L’ACP permet de réduire le nombre de données et intègre l’ensemble des informations relevées sur les différents ombrages.

Analyse en composantes principales sur huit ombrages mettant en évidence un tertre fouillé (au centre) et des tertres
Analyse en composantes principales sur huit ombrages mettant en évidence un tertre fouillé (au centre) et des tertres

Le Sky View Factor (SVF) est un indice de visualisation qui mesure la portion de ciel visible en un point donné sur une demi-sphère (Kokalj et al., 2011). L’algorithme calcule l’angle vertical d’élévation par rapport à l’horizon pour n directions spécifique au rayon. Sur un point haut, la proportion de ciel visible sera grande, alors que dans un milieu en excavation, la portion de ciel visible sera réduite.

L’indice d’ouverture topographique se décompose en deux indices : l’ouverture positive et l’ouverture négative. L’indice d’ouverture est un indice de visualisation qui exprime le degré de dominance ou de fermeture d’un espace sur une surface irrégulière (Doneus, 2013). L’ouverture positive correspond à la moyenne des angles zénithaux pour plusieurs azimuts. L’ouverture négative correspond à la moyenne des angles nadir (point le plus bas). L’indice est calculé suivant un rayon défini par l’opérateur. Alors que le SVF se limite au calcul sur une demi-sphère (limite = horizon), l’indice d’ouverture est calculé sur des angles plus importants lui permettant de s’affranchir de la topographie (distinction des structures sur des zones fortement en pente).

La carte des pentes permet de mettre en évidence les caractéristiques morphologiques de chaque structure.

Carte des pentes dans le Châtillonnais. Vert : plat ; jaune : faible pente ; rouge : forte pente. (source : LIDAR châtillonnais)
Carte des pentes dans le Châtillonnais.
Vert : plat ; jaune : faible pente ; rouge : forte pente.
Source : LIDAR Châtillonnais 2013

 

Laure Nuninger parle d’une approche « cubiste » (Nuninger et al. 2010) car l’utilisation de plusieurs images différentes est nécessaire pour visualiser / détecter toutes les informations et les anomalies de terrain.

Une discussion s’en suit sur la manière de détecter automatiquement la diversité des formes de chaque anomalie et sur la pertinence des indices. Elle se poursuit par la question de la détection des zones d’érosion sur la côte viticole avec le LIDAR, sujet abordé dans la thèse d’Emmanuel, et sur la détermination des facteurs qui contrôlent l’érosion.

Résultat de l’automatisation et comparaison avec le LIDAR

La méthode de reconnaissance semi-automatique des structures à partir de la carte des pentes et de l’ouverture topographique réalisée par Emmanuel a été testée sur une zone géographique du Châtillonnais et comparée avec les données GPS.

De manière générale, les relevés sur le LIDAR sont plus nombreux (50 à 60% en plus). Le GPS ne détecte pas les faibles inclinaisons du terrain ou les changements de types de structures. Pour les données issues du linéaire, 30% des données relevées sur le LIDAR différent des données GPS.

La rencontre TRAIL sur le LIDAR sous couvert forestier permet d’avoir un aperçu chiffré sur son apport qualitatif et quantitatif. Pour la présentation de Slovénie, bien qu’aucune nouvelle donnée n’ait était découverte, la qualité obtenue est meilleure par comparaison aux prospections sur le terrain. En Norvège, on recense 400% de structures en plus. En France, plus précisément en Lorraine (forêt de Haye), le LIDAR a permis de détecter 50% de plus de structures. Ces résultats dépendent donc de la topographie des zones couvertes et de l’état d’avancement des prospections antérieures.

Après le traitement des données LIDAR, un retour sur le terrain est souvent nécessaire pour valider la classification et la réalité des nouvelles structures détectées.

Perspectives du LIDAR en archéologie

La suite des recherches d’Emmanuel portera sur des tests d’autres zones géographiques et sur la quantification des paramètres morphologiques (longueur, hauteur, largeur…) de chaque anomalie.

L’évolution de la technique devrait bientôt discriminer la nature du signal rendu (sol, plante, bâti…).

 

Quelques ressources pour approfondir :

Articles sur le LIDAR du carnet des goûters de la géomatique

Un article de la presse locale sur les acquisitions de la MSH

Nuninger, L et all (2010). LiDAR : quel apport pour l’analyse des paysages ?

Nuninger, L. (dir). LIDOR. Acquisition, traitement et analyse d’images LiDAR. Pour la modélisation des paléo-reliefs de la plaine littorale du Languedoc oriental

Kokalj et al. (2011). Application of sky-view factor for the visualisation of historic landscape features in lidar-derived relief models

Doneus (2013). Openness as Visualization Technique for Interpretative. Mapping of Airborne Lidar Derived Digital Terrain Models

Le poster présenté lors du colloque est visible à la MSH, accompagné des autres posters réalisés sur le LIDAR par la GEOBFC. Il sera prochainement téléchargeable en ligne.

Merci à Emmanuel et Laure pour leur relecture attentive.

 

Formation continue et prochaine séance des goûters

Plusieurs offres de formation peuvent intéresser les géomaticiens et les archéologues. D’abord, une école d’été organisée par l’ENSG : « La photogrammétrie au service des archéologues et des architectes » à Forcalquier du 25 au 29 août 2014. Dernier délais pour l’inscription : 30 juin.

Ensuite, un MOOC sur le logiciel R proposée par la plate-forme FUN. Début des cours le 13 avril !

Enfin, en raison des multiples jours fériés du mois de mai, le prochain goûter de la géomatique aura lieu le jeudi 5 juin 2014 à 15h.

N’hésitez pas à consulter l’Agenda et à vous y abonner !

Compte-rendu : goûter de la géomatique du jeudi 7 novembre 2013

15h : tour de table d’un auditoire diversifié

Le pôle géomatique de la MSH (Laure, Ludovic, Thomas, Delphine, Emmanuel et Maxime) accueille pour ce goûter un auditoire hétéroclite : Jonhattan, qui effectue un doctorat centré sur le site d’Alésia ; Marie, doctorante ArTeHiS en archéologie qui travaille sur la fabrication de poteries dans la vallée du Rhin, Madame Fen-Chong, maître de conférence en géographie à l’Université de Bourgogne et chercheuse au laboratoire THEMA et Justin qui modélise à l’aide des systèmes multi-agents le trafic routier et la pollution de l’air. Pour soutenir les discussions, les participants ont apporté un goûter diversifié : des muffins pomme-cannelle fondants, des mini-cakes bien anglais, un beau pain d’épices pour éclaircir la gorge, un gâteau au chocolat qui ravie les gourmands et des boissons réconfortantes en ce froid mois de novembre.

Des questions de sources et de techniques sur QGIS

La séance commence par une carte issue d’un travail de synthèse géologique sur plusieurs pays. Première question : comment trouver des sources géologiques dans différents pays ? La carte a été effectuée grâce au site OneGeology mais des carences demeurent pour d’autres pays européen. Des solutions provisoires ont été avancées… Affaire à suivre.

La deuxième question porte sur la cartographie avec quelques conseils de présentation : sémiologie graphique, harmonisation des nombreuses couches de la légende, création d’étiquettes et gestion de cartes avec le composeur d’impression.

A noter que Ludovic proposera une formation QGIS pour les doctorants en début d’année 2014.

Mise en abime d’un résumé : présentation d’une synthèse de l’école d’été sur le paysage de Padoue

Jonhattan, qui a participé à l’école d’été sur le paysage de Padoue du 23-28 septembre 2013 a effectué un compte-rendu des participations. Cette cession portait sur le changement du paysage sur une échelle diachronique et se composait de présentations théoriques (dont le LIDAR), de cessions pratiques, de présentations centrées sur plusieurs pays ou de programmes en cours sur le paysage.

On peut noter parmi les participants G.P Broglio, A. Reynolds, J.L Martin Civantos (programme Memola sur la mémoire du paysage comportant des éléments de géologie, de géographie, d’économie et d’ethnographie). Sur le LIDAR S.Crutchley, D.Powlesland et A.de Guio. Pour des études bio-archéologiques G. Fiorentino sur la forêt du sud, sur l’incultum S.Burri. Sur la thématique de la lecture sur sol et de l’impact anthropologique dans son évolution, R.langohr, C.Nicosia et Y.Devos. Pour les modèles prédictifs, interpréter l’analyse des capacités du paysage, C.Citter.

Intérêt de l’utilisation du LIDAR en archéologie : un exemple sur le site d’Alésia

Après une pause permettant de « mettre les papilles au niveau du cerveau », Jonattan Vidal poursuit par une présentation de ses travaux effectuée aux journées LIDAR de l’université Paris 1.

Le LIDAR (pour LIght Detection And Ranging) permet une approche renouvelée en archéologie en permettant de détecter des anomalies de surface impossibles à détecter sur des photos aériennes ou sur un terrain étendu.

Les travaux présentés se localisent sur le site connu d’Alésia, oppidum du deuxième âge du fer, capitale du peuple Mandubien.

Présentation de la zone d'étude
Présentation de la zone d’étude

Un rapide historique permet de se mettre en situation : en 52 av J.C, lors de la Guerre des Gaules, les légions de César font siège autour de la coalition gauloise. Celui-ci dure environ 2 mois et des fortifications temporaires (bois, terre) ont été pour certaines retrouvées par les archéologues (fouilles, photographies aériennes).

Une couverture LIDAR permet une analyse de la pente de ce site.

Couverture LIDAR Copyright : J. VIDAL
Couverture LIDAR de la zone
Copyright : J. VIDAL

Lors d’une première étude appliquée à un camp au nord de la zone, le résultat permet de visualiser le camp et de remarquer que ce dernier suit les lignes de pente.

Sur un deuxième camp, une combinaison de plusieurs ombrages permet de voir des irrégularités de relief indécelables sur le site : elles sont très légères et sur une surface trop importante pour une reconnaissance à l’œil. Cette analyse permet de montrer un décalage entre les prévisions des archéologues et la démonstration du LIDAR et de la corriger.

Camp B partiellement fouillé, tracé approximatif du camp d'après les recherches du XIXème siècle, le LIDAR permet de le voir et de rectifier ce tracé. Copyright : J. VIDAL
Camp B partiellement fouillé, tracé approximatif du camp d’après les recherches du XIXème siècle.
Le LIDAR permet de le voir et de rectifier ce tracé.
Copyright : J. VIDAL

Enfin, dans un dernier cas, l’étude a permis de remarquer que le lissage d’une résolution à 1m permet de détecter plus d’éléments qu’une résolution à 25cm lorsqu’il s’agit de repérer des anomalies de grande étendue.

MNT à 25cm, 50cm et 1m Copyright J. VIDAL
MNT à 25cm, 50cm et 1m
Copyright : J. VIDAL

L’intervention se poursuit par une discussion sur le LIDAR et ses utilisations dans diverses thématiques géographiques. Il est fait mention des indices en construction : Sky view Factor -sur SAGA GIS (terrain analysis/visibility/sky view factor)-, LRM (Local Relief Models) qui permettront de détecter les irrégularités en archéologie.

Fin de goûter…

Il restait à remercier les participants de leur présence (ainsi que celle de leurs gâteaux), de leurs questions et de leur écoute. Voilà qui est fait !

Prochaine séance le jeudi 5 décembre 2013 où l’on parlera notamment de réseaux Internet et de géographie !