Méthodes numériques pour le relevé et l’acquisition
de données en Monuments Historiques et Archéologie


Il existe 5 catégories d’acquisitions numériques permettant la restitution et la représentation d'objets en 2 ou 3 dimensions :

1- Levé topographique sans réflecteur.
2- Photogrammétrie stéréoscopique, analogique ou numérique.
3- Photogrammétrie convergente ou multi-images.
4- Redressement et mise à l’échelle d'images numériques ou orthophotoplans.
5- Scanner 3D par triangulation laser, temps de vol, lumière structurée...

Chacun de ces procédés présente une particularité dans son application sur le terrain et lors de la restitution informatique. Chaque monument présente des conditions uniques de relevé et l'utilisation de ces techniques doit être choisie en fonction de celles-ci. L'appréciation des choix techniques dépend de l'application sur le terrain et de la restitution. Très souvent la solution se trouve dans un compromis entre toutes ces techniques.

1- Levé topographique sans réflecteur :
- Ces moyens topographiques permettent de référencer, par la mesure de points 3D, dans un même système de coordonnées, les données acquises pour tous les moyens de mesure ci-dessous (référence locales ou nationales : Lambert /NGF)
- Point de calage des modèles photogrammétriques.
- Plan et coupe avec l’attribution de codes aux points levés (structuration des données de manière intelligente dès l'acquisition terrain).

2- Photogrammétrie stéréoscopique :
- L'intervention sur le site peut être réalisée par une chambre stéréoscopique, ou une chambre métrique avec une mise en œuvre précise pour l'orientation de la prise de vue.
Les points de calage au théodolite ne sont pas nécessaires si les prises de vues sont réalisées depuis une chambre avec une base fixe, peu de points suffisent pour une orientation dans un système connu (au minimum 3).
- La restitution peut être réalisée soit sur un stéréorestituteur analytique ou sur des images numériques directement observables en stéréoscopie sur écran. Après formation du modèle stéréoscopique, cette méthode permet de mesurer visuellement en 3D par pointé unique. Elle est très utile pour relever des formes complexes sans beaucoup de points de repère visibles sur l'objet (ronde bosse, voûtes, colonnes, sculptures...) et permet de relever des surfaces de toutes tailles. Cette méthode est principalement utilisée pour la photogrammétrie aérienne.

3- Photogrammétrie convergente ou multi-images :
- L'intervention sur le site peut être réalisée par une chambre métrique ou semi métrique, petit, moyen ou grand format. Celle-ci permet une utilisation très souple pour l'orientation des prises de vues dans quasiment toutes les conditions , aussi bien en espace restreint qu’en longue distance. Nous devons par la suite réaliser des points de calage au théodolite sur l’édifice pour orienter les couples photogrammétriques.
- La restitution est basée sur la mesure de points homologues sur les clichés. Cette méthode est utilisable sur des photographies argentiques, posées sur une tablette à digitaliser, ou sur un écran, à partir d'images numériques ou scannées. Cette technique permet de relever facilement des éléments architecturaux géométriques.
Par sa simplicité de mise en œuvre sur le site et lors de la restitution, cette méthode est très bien adaptée aux particularités du relevé architectural.
Avec ces 2 premières méthodes nous obtenons des fichiers de type point-vecteur en coordonnées 3-D qui devra être repris par la suite avec un logiciel de D.A.O. pour obtenir la représentation finale en 2-D ou 3-D.

La Photogrammétrie convergente et stéréo s'adapte bien au relevé du patrimoine architectural, par les méthodes de mise en œuvre, de calibration, et la précision obtenue. Il faut pouvoir identifier précisément des points homologues sur les clichés pour la photogrammétrie convergente. Par contre, la stéréophotogrammétrie est un bon moyen de relevé tridimensionnel, car elle permet la saisie plus rapide des formes complexes, mais exploite un mode de saisie visuel plus exigeant.
Différents systèmes d'automatisation de saisie peuvent se rajouter à ces logiciels, notamment la corrélation automatique pour la saisie automatique de points sur la surface à relever, pour la génération de modèles numériques et la reconnaissance automatique de contours.

4- Redressement d'images numériques ou orthophotoplans :
Pour les façades planes, on peut obtenir une photographie à l'échelle à partir des clichés "obliques". Avec 4 points au minimum par plan, nous pouvons transformer l'image oblique en image orthogonale. Nous pouvons redresser consécutivement plusieurs plans sur la même façade et les assembler par la suite. Nous obtenons une image 2-D et non pas un fichier vecteur. Cette opération est intéressante pour des surfaces très détaillées car elle permet d'utiliser les informations métriques de la photo sans devoir faire un dessin vectoriel.

Pour un résultat rapide de relevé, nous pouvons nous tourner vers la photo redressée mise à l’échelle. Celle-ci ne s'applique qu'aux surfaces relativement planes, pour pouvoir garder une précision métrique satisfaisante. Cette opération cumule l'intérêt visuel d'une photo et une précision métrique suffisante pour faire un métré rapide, mais ne restitue pas de dessin vectoriel, souvent utile pour les études et les travaux.

5 - Scanner 3D , par triangulation laser, temps de vol, lumière structurée… :
Ce procédé permet de relever de façon quasiment instantanée, ou avec des temps très courts au vu du volume de données saisies, une surface quelconque en trois dimensions.
Le principe consiste à envoyer une onde (laser, lumière structurée...) sur la surface à relever, puis à analyser et exploiter le retour de l'onde par triangulation optique ou mesure du temps de vol. Les appareils livrent des nuages de points 3D qui permettent de générer des maillages surfaciques des objets numérisés.

L’intérêt de ces mesures porte surtout sur la numérisation de surfaces complexes ou non géométriques. En effet, ces types d'appareils de numérisation mesurent les surfaces simples ou complexes avec la même densité de points. Malgré les logiciels algorithmiques d'optimisation des surfaces simples, il est parfois plus facile et rapide de relever celles-ci par d'autres procédés. Pour les surfaces complexes (voûtes, sculptures, ornements…), ce type de numérisation devient un outil indispensable.

Cette technique en cours d'évolution s'oriente vers une conjonction avec la photogrammétrie, pour obtenir une grande précision de traitement ainsi que des ortho-photos de grande qualité quasi automatiquement, des plans et des coupes de façon précise et rapide.