Reconstruction 3D et analyse géostatistique d'un cimetière médiéval (Olonne-sur-Mer, Vendée)


 AHLeGall    25/05/2021 : 11:18

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Article dans Remote Sensing

Vers une restitution de l'invisible grâce à la modélisation informatique

La reconstruction 3D de contextes archéologiques a été initiée il y a presque 10 ans au labo CReAAH Archéosciences, grâce notamment aux développements informatiques (interprétation, visualisation) réalisés depuis 10 ans par Jean-Baptiste Barreau (CNRS, CReAAH). Associé à Rozenn Colleter (INRAP Rennes, UMR CNRS « CAGT » Centre d’Anthropobiologie et de Génomique de Toulouse), l’informaticien et l’archéo-anthropologue publient en avril 2021 dans la revue Remote Sensing un article qui illustre cette collaboration désormais indispensable entre 2 disciplines, la reconstruction en 3D et l’analyse géostatistique, appliquée à l’étude d'un cimetière médiéval à Olonne-sur-Mer (Vendée, France).

 

 

Les caractéristiques du site de fouille

Une fouille préventive réalisée en 2018 avant des travaux d'aménagement a permis de découvrir plus de 213 sujets inhumés entre le IVe et le XIe siècle, sur une surface totale de 1850 m2. Il s'agit d'un cimetière situé à Olonne-sur-Mer en Vendée. Le complexe est limité au sud par un fossé. Au nord, aucune limite n'a été observée lors de la fouille et, à l'ouest, des sondages archéologiques anciens suggèrent une extension de la zone d'inhumation. L'analyse biologique des squelettes révèle une démographie caractérisant une communauté de type paroissial, avec néanmoins une sous-représentation des enfants de moins de 5 ans, et également des sujets de moins de 20 ans semblant être regroupés au centre de la zone. Le lieu où sont enterrés les plus jeunes témoigne souvent d'une position stratégique dans des contextes chrétiens (près des portes des églises, inhumation sub stillicidio, littéralement « sous les gouttières », i.e. espace situé le long du mur gouttereau de l’église bénéficiant des eaux sanctifiées par la toiture de l’église).

La reconstruction 3D proposée est couplée à des analyses géostatistiques prenant en compte le nombre de sujets par tombe, la concentration des artefacts résiduels trouvés dans les tombes, mais aussi les caractéristiques biologiques de l'échantillon et les pratiques funéraires mises au jour.

Dans cette publication, on se concentrera sur plus particulièrement sur les questions de méthodes de visualisation informatique. En effet, à partir d'entités 2D générées avec un logiciel SIG, le processus d'élévation et de sculpture des volumes est innovant, car même s'il est réalisé par des techniques infographiques classiques, il est conduit par des réflexions taphonomiques et anthropologiques poussées. Cela permet notamment de proposer des espaces vides, une zone de rassemblement potentielle pour la communauté villageoise et des chemins de circulation. L’association de ces outils avec la géostatistique permet de mettre en évidence ce qui est lié au hasard ou ce qui a été consciemment recherché par ces anciennes populations.

Ces éléments sont essentiels pour dépasser le storytelling souvent proposé en archéologie et proposer une vision basée sur la cohérence des faits observés. Même lorsque les vestiges archéologiques ne sont que des fosses creusées, l'intégration de données archéologiques multisources (anthropologique biologique, funéraire, artefacts, taille des fosses et volume des terres foisonnées) permet des reconstitutions 3D pertinentes et devient un formidable outil de discussion des occupations passées.

Les technologies tridimensionnelles permettent donc de recréer un environnement perdu pour permettre une meilleure compréhension du site. Elles sont didactiques et aident à partager les données entre les chercheurs et/ou le public, surtout lorsqu'elles sont invisibles comme la présence d'un espace… vide.

 


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Figure 1. (A) Localisation de la ville française d'Olonne-sur-Mer ; (B) Localisation des tombes et du fossé au sud ; (C) Photographie par drone du fossé

 

La 3D par la création successive de MNTs (Modèles Numériques de Terrain)

Le MNT de surface

S'agissant d'une fouille préventive avec un budget et des délais limités, aucun relevé par géographique par drone ou LiDAR n'a été réalisé. Cependant, de multiples points topographiques ont été relevés au tachéomètre  à la base de la création des MNTs permettant de restituer l’environnement du site en laboratoireTrois MNTs ont été construits à partir des nombreux points topographiques relevés sur le terrain complété par des données du Géoportail de l’IGN.

Le premier MNT présente le "fond de forme", le second, la "surface" du champ archéologique avant décapage et le dernier restitue le niveau du sol au début du Moyen Âge (MNT "tertres funéraire"). Le premier a été créé à partir des points relevés sur le terrain et à l'aide du logiciel QGIS (Figure 2A). Un raster noir et blanc illustre les élévations à partir de la méthode d'interpolation TIN (Figure 2B), puis le modèle 3D est créé avec le plugin DTMto3D (Figure 2C).

 


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Figure 2. Processus de création du modèle numérique de terrain "fond de forme" à partir de points de relevé. (A) Points de relevé enregistrés sur le terrain ; (B) Trame générée à partir des points de relevé ; (C) modèle 3D

 

Une fois intégré dans le logiciel 3dsmax, le maillage a été lissé avec le modificateur Turbosmooth, utilisant l'algorithme Catmull-Clark. La reconstruction des tombes a été réalisée selon les 4 étapes suivantes.


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Figure 3. (A-D) Quatre étapes du processus de reconstruction d'une tombe ; (E) Maillage câblé du "fond de forme" avec les tombes au nord du remblai

 

La génération d'humains virtuels est maintenant relativement facile grâce à des logiciels libres comme MakeHuman. Avec ce logiciel, Jean-Baptiste et Rozenn ont généré un mannequin générique en 3D, dont le rigging permet de le positionner facilement à partir des points de relevé enregistrés systématiquement à la fouille sous le crâne, le bassin et entre les chevilles. L'obtention des profondeurs précises des tombes est déduite de ces mêmes informations (Figure 4A,B). Ces points ont été traités avec le module objet nuage de points, directement intégré au logiciel 3dsmax. Ce même logiciel permet également la génération rapide de vues stylisées de type " encre ", permettant la mise en valeur des contours, et donc une lecture aisée des géométries (Figure 4C). Certaines sépultures autour d'un espace vide avaient déjà été traitées avec le logiciel Virtualanthropy, qui a permis de positionner en 3D des photos prises sur place. L'ensemble s'intègre correctement dans la scène globale (Figure 4D,E).


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Figure 4. (A,B) Processus de positionnement d'un mannequin dans la sépulture 114 pour positionner le fond plus précisément ; (C) Vue 3D stylisée du même processus en cours sur les sépultures 104, 105, 110, 114, 115, 122, 123, 125, 126, 136, 170 et 174 ; (D,E) Intégration des photos prises sur place avec le logiciel Virtualanthropy

 

Le MNT de surface

Un second MNT a été construit : il a restitué la terre végétale décapée et les sédiments archéologiques remplissant les fosses funéraires et les éléments archéologiques. Le niveau de surface a été restauré à partir des points de relevé de Geoportail (Figure 5A). Ce MNT "de surface" fournit des informations topographiques plus précises que les informations NGF (altitudes des points français) du Géoportail et montre une zone plate avec un très léger pendage du terrain à l'ouest. Ce MNT a également permis de calculer avec précision le volume de sol impacté par chaque structure archéologique à partir du sol foulé par les populations passées puisqu'aucun changement géomorphologique n'a été enregistré (Figure 5B).

 

Le MNT des tertres funéraires

Le dernier MNT restitue la topographie du sol au moment de son occupation en tenant compte des volumes générés par le décompactages des sols (fouissement). En l'absence d'informations descriptives de l'évolution de la surface due à l'érosion du sol et aux occupations successives post-cimetière sur cette parcelle, les auteurs ont basé cette restitution sur l'hypothèse que les volumes de terre excavée sont laissés plus ou moins en place. En l'absence de moyens mécaniques adaptés au haut Moyen Âge, la parcimonie conduit les chercheurs à fonder leur raisonnement sur les schémas les plus simples, à savoir ici la constitution d'un tertre au-dessus des éléments funéraires. Le MNT prend alors en compte à la fois le volume de terre excavée (sous-sol et terre végétale) et le facteur de décompactage. Lorsque le sol est perturbé par l'excavation d'une fosse sépulcrale ou le creusement d'un fossé, la terre retirée prend du volume. Un mètre cube excavé ne donne jamais un mètre cube de sol évacué et selon les types de sol et l'humidité, la multiplication est plus ou moins forte : une terre sableuse, par exemple, produit moins de volume qu'une terre marneuse. À Olonne-sur-Mer, les remblais des fosses sépulcrales sont caractérisés par un sédiment argilo-sableux, voire limoneux dans les zones topographiques les plus basses. Il s'agit d'un mélange de petites roches liées à la dégradation des substrats géologiques (ici la métarhyolite) avec de la terre végétale recouvrant les structures. Des blocs calcaires anthropiques parsèment aussi parfois les remblais, ultimes vestiges de formes anciennes de tombes et/ou de la présence de pierre dans le tertre. Sur la base de ces éléments, les auteurs ont considéré pour ce sol un facteur de fouissement (k) de 1,25.



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Figure 5. (A) Création du MNT de surface à partir des données du Géoportail ; (B) rendu d'un cadre topographique 3D du site avant l'excavation

 

La reconstruction 3D des tertres a été l'étape la plus longue de ce travail, car son automatisation était trop complexe à mettre en œuvre en raison de la variété des formes des tombes. Pour chacun des 174 polygones illustrant les contours des tombes, Jean-Baptiste et Rozenn ont extrudé vers le bas jusqu'à l'altitude minimale des points tête-bassin-pieds correspondants (Figure 6A). Ils ont ensuite retopologisé ces mêmes contours en appliquant l'algorithme Quadriflow pour les mailler fortement. Puis ils ont sélectionné une tranche longitudinale de sommet avec l'outil de sélection douce pour bomber la forme. Cette sélection de tranches a dû être faite visuellement pour correspondre au mieux à la forme des tombes.


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Figure 6. (A) Reconstitution des volumes des fosses ; (B) étapes du processus de reconstitution des monticules

 

 

Vers une restitution de l'invisible !

L'outil 3D permet d’envisager une description des paysages

Le premier modèle numérique du terrain "fond de forme" a permis de visualiser le site au moment de la fouille archéologique (Figure 7A). Il représente l'aspect du substrat après décapage mécanique et le fond des fosses sépulcrales. Il s'agit déjà d'un document interprétatif par rapport à un cliché vu du ciel puisqu'il permettait de sélectionner les informations graphiques. Ici, seuls les vestiges appartenant à la phase d'occupation du cimetière ont été sélectionnés. Les tombes étaient bien délimitées topographiquement au nord du fossé. Seules trois fosses, reprenant quelque peu son orientation, étaient présentes immédiatement au sud. Ensuite, et en l'absence de superstructures préservées, la restauration du niveau du sol alto-médiéval n'était réalisable qu'à partir d'outils 3D (Figure 9B-D). La position des tombes, le calcul de leur volume total et la lecture stratigraphique de leurs remplissages permettent de proposer des monticules de pierre et de terre plus ou moins importants.

Les zones les plus recherchées étaient celles où les monticules se chevauchaient le plus. Les volumes des tumulus apparaissaient plus ou moins identiques alors que leurs orientations, si les dépôts s'alignaient avec l'excavation sous-jacente, étaient variables avec une dominante ouest/est. Cette standardisation de l'orientation des tombes reflète la volonté et les croyances des vivants où des décalages peuvent se produire si les fossoyeurs se calent sur la position du lever du soleil. Outre les superstructures, des espaces vides sont identifiables, notamment au centre de la zone entourée de tertres aux orientations divergentes (nord/sud) par rapport à la majorité des tombes (ouest/est). Une interruption du talus de bordure sur une section de 10 m de long était également clairement visible. Elle pourrait marquer soit (i) une chronologie des dépôts avec des sépultures plus tardives colonisant progressivement le talus, soit (ii) une porte d'entrée du cimetière avec un franchissement du fossé, soit (iii) un espace funéraire particulier, enclavé dans le talus. Enfin, l'important volume final du remblai, rejeté dans son intégralité au nord du fossé, est apparu disproportionné par rapport à l'ensemble, suggérant qu'une partie des sédiments avait été stockée ailleurs. Cependant, malgré le soin apporté à la création de cette image, la lecture spatiale de la représentation 3D du cimetière ne peut pas refléter la réalité à un instant T puisqu'il s'agit ici d'une image fixe du paysage sans prise en compte l'évolution multiséculaire du site.

 

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Figure 7. (A) Le MNT "fond de forme". Les tombes sont concentrées au nord du fossé de bordure ; (B) Vue zénithale et nord-ouest vue du volume du tumulus. Les tombes de différentes orientations sont concentrées au nord du fossé de bordure ; (C,D) Vue zénithale et nord-ouest du volume du tumulus funéraire

 

D’autres potentiels de visualisation ont été également explorés par Rozenn et Jean-Baptiste et sont présentés dans l’article, comme la distribution des sujets et la hiérarchisation de l'espace funéraire, la lecture de la concentration des découvertes résiduelles, l'organisation de l'espace sépulcral en fonction de l'âge au décès, grâce notamment à un indice statistique éclairant les concentrations intentionnelles ou non : l’indice de Moran.

 

Conclusion

Si les relevés et la modélisation 3D basés sur la réalité sont déjà largement utilisés en archéologie pour calculer des surfaces précises, visualiser, décrire et partager des informations avec le public, leur couplage avec des outils géostatiques n'en est qu'à ses débuts en anthropobiologie. En plus de la description « basique », cette méthode développée au CReAAH en collaboration avec l’Inrap permet d'aller au-delà de la simple caractérisation des données en fournissant une véritable interprétation de la gestion de l'espace par les populations anciennes. Pour le site d'Olonne-sur-Mer, les concentrations importantes enregistrées autour d'un espace vide (artefacts résiduels et sujets plus jeunes) sont un argument important pour une utilisation probablement liturgique de cet espace comme lieu de prêche. L'interruption du talus de bordure et les multiples concentrations observées (artefacts résiduels et dépôts secondaires) témoignent de nombreux passages et perturbations. Ces éléments confortent également l'interprétation de cet espace comme un lieu de passage ou d'entrée du cimetière avec un franchissement du fossé, qui n'a pas été retrouvé lors de la fouille.

La confrontation de données spatiales, biologiques (âge au décès) et culturelles (mobilier en position secondaire dans les tombes) permet de tester les hypothèses d'occupation du cimetière de manière innovante. Des calculs mathématiques permettent de valider cette approche holistique pour des résultats statistiques pertinents. L'objectif de valider ou d'invalider les hypothèses posées permet alors de travailler plus en détail sur les populations archéologiques, notamment lorsque les sources historiques ne sont pas disponibles. Loin du storytelling, ces outils permettent de soutenir le raisonnement des archéologues par sérendipité pour aboutir à de réelles conclusions sur l'évolution des mentalités.

 

 

Référence
Colleter, Rozenn ; Barreau, Jean-Baptiste. 2021. 3D Reconstruction and Geostatic Analysis of an Early Medieval Cemetery (Olonne-sur-Mer, France), Remote Sensing, 13, no.9: 1688. doi.org/10.3390/rs13091688





Contact OSUR
Jean-Baptiste Barreau (CNRS, CReAAH) / @
Rozenn Colleter (INRAP) / @
Alain-Hervé Le Gall (CNRS, OSUR multiCOM) / @