Le LiDAR

La télédétection par Laser Aéroporté (LiDAR) pour l’étude des environnements des sociétés anciennes

Auteur : Antoine Dorison

Principe de la technologie LiDAR

La technologie de Light Detection And Ranging, mieux connue par l’acronyme LiDAR, s’est développée dès les années 1960, peu après la découverte du laser. Son nom fait référence au RADAR, mis au point quelques décennies auparavant, par analogie du principe de fonctionnement. À la différence du RADAR, Le LiDAR se base sur des ondes lumineuses—sur un faisceau laser—en lieu et place des ondes sonores.

Le LiDAR est donc un scan laser qui permet de mesurer la distance entre une source—un émetteur-récepteur—et un obstacle en exploitant le phénomène de réflexion de la lumière. L’émetteur-récepteur LiDAR produit une impulsion lumineuse en un faisceau concentré ; le « tir » laser. Lorsqu’elle rencontre un obstacle, la lumière est réfléchie et repart en sens inverse. Une partie des rayons réfléchis est captée par l’émetteur-récepteur qui, dans l’intervalle, a mesuré le temps entre l’émission et la réception du signal. À partir de ces informations, l’appareil calcule la distance entre l’émetteur et l’obstacle selon une équation simple : d = v x t  ; où la distance (d) est égale à la vitesse (v) multipliée par le temps (t). La vitesse est celle de la lumière (environ 300 M m·s-1). Le temps mesuré par l’appareil—qui correspond à un aller-retour de l’onde lumineuse—doit quant à lui être divisé par deux.

 

 

 

 

 

 

Figure 1 – Schéma du fonctionnement d’un LiDAR aéroporté (issu de Fernandez-Diaz et al. 2014, fig.2)

Malgré la diffraction du faisceau laser (élargissement avec la distance), il s’avère très localisé et concentré en un « point » quand il rencontre un objet, même éloigné. Il faut donc multiplier les « tirs » pour couvrir une surface importante. On procède ainsi à un balayage de millions d’impulsions laser (phase d’acquisition) pour obtenir un nuage de points (figure 1). Un logiciel permet ensuite de relier ces derniers (ex. par triangulation) pour obtenir un modèle numérique de la surface scannée (phase de traitement). L’acquisition peut être réalisée depuis le sol (ex. pour scanner un bâtiment), toutefois, en archéologie notamment, on la réalise plus souvent depuis un avion ou un drone. On calcule alors la distance entre l’émetteur-récepteur, placé dans l’avion équipé d’un altimètre, et le sol. On parle donc de scan laser aéroporté.

L’utilisation du LiDAR en archéologie : « voir sous la forêt »

Les LiDAR archéologiques ont fait leur apparition au tournant des années 2000 en Europe (ex. Bewley et al. 2005) puis dans le monde (Fernandez-Diaz et al. 2014). Leur capacité à « voir sous la forêt » est souvent mise en avant. Toutefois, le LiDAR ne fait pas fi du couvert végétal. Il constitue, au contraire, une contrainte importante. En réalité, seule une petite partie des ondes lumineuses émises par l’appareil LiDAR depuis un avion passe à travers les interstices du feuillage et atteint le sol sous la canopée. De même, seule une petite partie des rayons réfléchis au sol trouve son chemin à nouveau entre les feuilles pour être enregistrée par le récepteur. La multiplication des « tirs » laser augmente ainsi les chances d’avoir un nombre de points suffisants ayant touché le sol. Ce n’est qu’en phase de traitement du nuage de points que l’on peut trier ces derniers pour ne garder que les points qui correspondent au niveau du sol. On obtient alors un modèle numérique de terrain (ou MNT) dont la précision dépend directement du nombre de points-sol. Cette précision peut être métrique (moins d’1 point par m²) à décimétrique (plusieurs points au m²). C’est essentiellement à partir de ces données altimétriques que travaillent les archéologues. Cependant, d’autres caractéristiques des ondes lumineuses commencent à être exploitées (ex. variations du spectre lumineux reçu en fonction des caractéristiques physiques de l’obstacle rencontré [sol, roche, végétation…]).

Le modèle numérique de terrain LiDAR est généralement traduit sous la forme d’une image constituée de millions de pixels. Chacun est codé d’une information géographique : longitude X, latitude Y et altitude Z. De cette façon, on peut rendre l’image plus facilement intelligible pour l’œil humain via son traitement par des algorithmes à l’aide de logiciels spécialisés. On peut ainsi simuler une lumière rasante, calculer la valeur de pente entre des pixels voisins ou encore modéliser l’écoulement théorique d’un fluide à la surface du modèle (figure 2). L’archéologue est alors en mesure d’interpréter les microreliefs mis en exergues par ces traitements sur l’image LiDAR.

Figure 2 – Exemple de traitements de l’image LiDAR sur un site de l’ouest mexicain construit sur le front d’une coulée volcanique.A : pyramide pillée ; B : grande maison de réunion ; C : réseau de terrasses agricoles (issu de Dorison 2020, fig.3 ; données LiDAR collectée par NCALM pour le projet archéologique Uacúsecha)

Les apports du LiDAR dans l’étude des sites archéologiques et de leur environnement

Les médias clament souvent la découverte sensationnelle de nouveaux sites archéologiques grâce au LiDAR, faisant volontiers l’amalgame entre découvertes fortuites et stratégies scientifiques d’étude d’un espace connu. S’il est vrai que des établissements humains inédits ont ainsi été repérés, les archéologues n’ont pas attendu cette technologie pour explorer les paysages à large échelle. Quand les vols, encore onéreux, sont planifiés par les archéologues eux-mêmes, ils le sont rarement à titre exploratoire d’un territoire « vierge » mais plutôt pour documenter un ou plusieurs sites connus et leurs environs. De fait, le plus important apport du LiDAR en archéologie est sans aucun doute la mise en lumière de la complexité et de l’étendue de sites archéologiques déjà bien étudiés mais aussi et surtout de l’ampleur des modifications humaines autour de ces zones déjà connues. Si l’importance des espaces dits « hors site d’habitat » avait déjà été attestée depuis de nombreuses années (par ex. Guilaine 1991 ; Killion 1992 ; Chouquer 2008), cartographier, étudier et comprendre ces vastes zones aux vestiges souvent discrets et éparpillés dans le paysage (ex. terrasses agricoles, murs de parcelles…) constituait un réel défi. La technologie LiDAR est un outil extraordinaire qui contribue à faire sauter certains verrous méthodologiques pour relever la complexité des paysages modifiés par les humains sur de longues périodes. Ainsi, dans certaines zones concentrant des caractéristiques favorables (bonne conservation et visibilité au sol des vestiges), les couvertures LiDAR suggèrent l’existence de réseaux quasi continus matérialisés entre les établissements humains, notamment sous la forme d’espaces économiques, tels que des champs cultivés, des carrières, des pâturages etc.

À l’heure actuelle, une grande part du travail des archéologues est l’enregistrement des aménagements humains détectés. Beaucoup sont des constructions dont la morphologie est connue (ex. murs de maisons ruinées, de terrasses, plateformes, pyramides parfois…) mais de très nombreuses formes nouvelles apparaissent aussi sur les écrans. Ainsi, un dialogue doit nécessairement s’installer entre archéologie et disciplines connexes, notamment les sciences de l’environnement telles que la géographie, la géologie, la géomorphologie ou l’étude des sols, afin d’interpréter et comprendre l’environnement des sites révélé par la technologie LiDAR. Cette interdisciplinarité permet par exemple de différencier les formes du terrain anthropiques (directement ou indirectement fabriquées par les humains) des formes intégralement ou en partie héritées de processus naturels (ex. terrasse agricole versus négatif d’un glissement de terrain).

Quelques défis et perspectives

Parmi les nouveaux défis qu’imposent le LiDAR, notons la gestion de la masse de données, car les vestiges détectés se comptent déjà souvent par dizaines de milliers dans chaque fenêtre d’investigation. Le LiDAR met ensuite à mal la notion de « hors site » ou le concept même de site archéologique. Où se termine le site et où commence son voisin quand des parcelles agricoles ponctuées de maisons les relient ? Se pose aussi la question cruciale de la contemporanéité des éléments détectés ou encore celle de la représentativité de ce qui est visible. Une bonne partie des vestiges de l’histoire humaine n’est-elle pas enfouie dans le sol ?

Parallèlement, la technologie LiDAR offre d’exceptionnelles perspectives. Elle permet d’envisager l’inscription des sites dans leur environnement sous un jour nouveau, en révélant des vestiges inédits et en apportant une lisibilité sans pareil de l’articulation des espaces entre eux. Elle ouvre notamment la voie pour des investigations à larges échelles facilitées. Enfin, au-delà du caractère sensationnel du LiDAR, qui repose vraisemblablement dans sa capacité à produire des images évocatrices pour tous, son évidente utilité dans de nombreuses approches invite à l’interdisciplinarité.

Références citées

Bewley, R., Crutchley, S. & Shell, C. 2005. New light on an ancient landscape: Lidar survey in the Stonehenge World Heritage Site. Antiquity, 79, 636–647.

Chouquer, G. 2008. Traité d’archéogéographie – La crise des récits géohistoriques, Paris, Editions Errance.

Dorison, A. 2020. Aménagements agraires préhispaniques dans un milieu volcanique : Analyses des données LiDAR du Malpaís de Zacapu, Mexique. Archéologies numériques, 4, 2515-7574.

Fernandez-Diaz, J. C., Carter, W. E., Shrestha, R. L., & Glennie, C. L. 2014. Now you see it… now you don’t: Understanding airborne mapping LiDAR collection and data product generation for archaeological research in Mesoamerica. Remote Sensing, 6(10), 9951-10001.

Guilaine, J. 1991. Pour une archéologie agraire. A la croisée des sciences de l’Homme et de la Nature. A. Colin.

Killion, T., 1992. Gardens of prehistory: the archaeology of settlement agriculture in greater Mesoamerica. University of Alabama Press.

Quelques ressources web

Evans, D., 2021 (dernière mise à jour). Bibliography of Archaeological Lidar. < https://angkorlidar.org/bibliography/>

Lien vers les vidéos d’un workshop (15-16 septembre 2021) organisé par des membres de l’équipe Archéologies Environnementales d’ArScAn :  <https://webcast.in2p3.fr/container/archaeological-lidar-and-ancient-territories>

Lien vers le volume 4 (2020) de la revue Archéologies Numériques, dossier spécial « Archéologie, forêt et Lidar : une recherche qui a du relief ! », comprenant des articles des membres de l’équipe :  <https://www.openscience.fr/Numero-1-544>