Numérisation 3D de la volumétrie de la grotte des Fraux : clôture du chapitre !

Dès le début de l’étude de la grotte des Fraux en 2008, nous nous étions fixé pour objectif  la numérisation 3D par balayage laser de l’ensemble des parties du réseau occupées à l’âge du Bronze, soit près d’un kilomètre linéaire de galeries… La 3D devant constituer le support commun à l’ensemble des études menées sur le site.

Depuis lors, chaque année, un minimum d’une semaine de travail sur le terrain a été dédié à l’acquisition de données 3D, et plusieurs mois au post-traitement des nuages de points 3D. Ce travail a été conduit sous la responsabilité de Pierre Grussenmeyer et a bénéficié des compétences (et de la bonne humeur) de Samuel Guillemin de l’INSA de Strasbourg (UMR ICube).

Pierre Grussenmeyer à la topo...

Pierre Grussenmeyer à la topo…

 

Samuel Guillemin dans le secteur 46...

Samuel Guillemin dans le secteur 46…

Alors que l’année 2014 marque la fin de cette longue (et parfois douloureuse) étape d’acquisition de la volumétrie globale du réseau, il nous est agréable de rappeler que plusieurs stagiaires – élèves ingénieurs de l’INSA – nous ont aidé dans cette entreprise, notamment :

 

Benoit Cazalet, Vincent Léglise et Emmanuel Moisan

Benoit Cazalet, Vincent Léglise et Emmanuel Moisan

 

En février dernier, nous avons donc finalisé la numérisation des derniers secteurs du réseau : 9, 16, 17, 18, 19, 27, 45, 46…

 

Numérisation 3D du secteur 16 de la grotte des Fraux

Numérisation 3D du secteur 16 de la grotte des Fraux

Lorsque le traitement de ces donnés sera achevé, nous disposerons alors du modèle numérique global du réseau, qui constituera le support privilégié aux reconstitutions et modélisations 3D issues de l’étude interdisciplinaire du réseau : géomorphologie, géophysique, climatologie, mécanique des fluides, art, archéologie…

Tout l’enjeu de l’étude du site résidera alors dans la modélisation des différents scenarii dans ce système de représentation 3D commun, et dans sa capacité à intégrer des données hétérogènes issues de multiples disciplines. L’enjeu est de taille car il constitue un verrou méthodologique auquel de nombreuses équipes internationales se trouvent confrontées, faute d’outils et d’équipements susceptibles de traiter des masses de données aussi volumineuses…

Présentation des développements méthodologiques réalisés à la grotte des Fraux dans le domaine de la 3D au colloque CIPA

A l’occasion du XXIVe colloque international International CIPA tenu du 2 au 6 septembre 2013 à Strasbourg, l’équipe scientifique des Fraux a présenté une communication consacrée aux développements méthodologiques réalisés à la grotte des Fraux depuis 6 années dans le domaine de la numérisation et de modélisation 3D .

Cette présentation n’aurait pu être réalisée sans l’implication de l’ensemble des membres de l’équipe scientifique des Fraux ni sans la bienveillance des propriétaires de la grotte, qu’ils soient ici tous remerciés.

Les travaux présentés ont bénéficé du soutient de l’INEE du CNRS, du Ministère de la Culture et de la Communication et du programme AIR.

 

 


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Étude du réseau karstique des Fraux

La mission de terrain de mars dernier a permis à Yves Billaud (DRASSM  EDYTEM) et Stéphane Jaillet (EDYTEM) de poursuivre leur travail de topographie et de relevés karstologiques de la grotte des Fraux.

 Recherche de l’entrée originelle de la grotte

Stéphane a réalisé une cartographie détaillée des zones susceptibles de correspondre potentiellement à l’entrée de la grotte au cours de l’âge du Bronze. L’entrée actuelle ayant été ouverte en 1989, lors de l’effondrement d’une petite partie du plafond de la grotte.

Yves Billaud  observant une zone d'entrée potentielle de la grotte (cliché St. Jaillet - EDYTEM)

Yves Billaud observant une zone d’entrée potentielle de la grotte (cliché St. Jaillet – EDYTEM)

Il a effectué, sur 8 secteurs différents, la cartographie de la géométrie des conduits, des croquis de la nature et de l’organisation des dépôts sédimentaires et des observations sur l’emboîtement des formes et des formations souterraines.

 

Stéphane Jaillet réalisant la cartographie de la géométrie des conduits de la grotte

Stéphane Jaillet réalisant la cartographie de la géométrie des conduits de la grotte

Dans un proche avenir, l’objectif est d’essayer de contraindre la dynamique et la chronologie de ces dépôts en prélevant et datant des échantillons de calcite dans les secteurs 4, 8 et 9. L’idée est de réaliser une analyse de ces formes et de ces dépôts dans une géométrie 3D de l’intérieur et de l’extérieur de la grotte pour pouvoir, à terme, proposer un volume et une géométrie d’entrée de la cavité avant la fermeture des accès.

 

Vue du secteur 4 de la grotte des Fraux

Vue du secteur 4 de la grotte des Fraux (cliché St. Jaillet – EDYTEM)

 

Compléter la topographie du réseau

Le plan d’ensemble du réseau a été complété et affiné par Yves à l’aide d’un DistoX (dispositif d’arpentage électronique utilisé pour réaliser la topographie en spéléologie) dans 6 secteurs de la grotte. Il est composé d’un distancemètre laser agrémenté d’une boussole/clinomètre électronique 3 axes qui permet les mesures dans toutes les directions, quelle que soit l’orientation de l’appareil, sans dégradation de la précision. Le DistoX donne la pente et l’azimuth de chaque visée.

Yves a ainsi pu contrôler les quelques différences d’orientation observées entre la topo spéléo et le cheminement polygonal réalisé par l’INSA au tachéomètre, notamment dans la partie gauche du réseau. Ces nouvelles mesures ont également permis d’apporter des précisions sur le soutirage principal de la zone.

Poursuite de la numérisation 3D de la volumétrie du réseau souterrain

La campagne de mars dernier a permis de poursuivre l’acquisition de la volumétrie 3D de la grotte des Fraux, dans des zones où le cheminement polygonal avait été réalisé en 2012 avec l’aide d’Emmanuel Moisan (élève ingénieur à l’INSA de Strasbourg).

Dans un premier temps, nous avons choisi de finaliser la numérisation du réseau droit de la grotte afin de lancer les premières modélisations et simulations sur cette partie du réseau. Pour ce faire, nous avons scanné le secteur 9 qui abrite notamment, sur une de ses parois, des motifs de chevrons dessinés au pigment noir à l’âge du Bronze.

 

numérisation 3D du secteur 9 (à gauche) et levé topographique des sphères (à droite)

numérisation 3D du secteur 9 (à gauche) et levé topographique des sphères (à droite)

Dans une seconde étape, nous avons travaillé dans le vaste réseau gauche de la cavité, autour des secteurs 29 à 38. Le travail a été rendu ardu par la difficulté d’accessibilité de certaines galeries de la grotte, particulièrement étroites et basses sous plafond.  La taille réduite du laser scanner Focus (FARO) a néanmoins permis d’accéder aux espaces les plus étroits et inaccessibles. Cette partie du réseau ne recèle quant à elle que peu de vestiges : quelques rares foyers et tessons de poterie.

Levé topographique (avec la station totale M3 TRIMBLE) des sphères positionnées dans le secteur 36.

Levé topographique (avec la station totale M3 TRIMBLE) des sphères positionnées dans le secteur 36.

Scan du secteur 29

Scan du secteur 29

Acquisition du MNT de l’extérieur de la grotte des Fraux par lasergrammétrie

La résolution du Modèle Numérique de Terrain — acquis en 2012 par photogrammétrie autour de la grotte — s’est révélé être insuffisante  pour l’étude karstologique de la cavité, en raison de la qualité des clichés IGN. En conséquence, Pierre Grussenmeyer et Samuel Guillemin (INSA Strasbourg) ont décidé de réaliser en mars 2013 une nouvelle acquisition, cette fois par lasergrammétrie, de l’extérieur de la grotte.

 

Numérisation 3D de l'extérieur de la grotte par P. Grussenmeyer et S. Guillemin

Numérisation 3D de l’extérieur de la grotte par P. Grussenmeyer et S. Guillemin

Le travail a été réalisé à l’aide du scanner laser Leica C10. Cet instrument permet en effet de scanner en haute résolution, sur de longues portées. Il présente également l’avantage de posséder une caméra numérique intégrée. Une vaste zone autour de la grotte ainsi pu être numérisée en 3 dimensions. Le modèle numérique ainsi obtenu sera rapidement associé à la volumétrie globale du réseau souterrain.

 

Le scanner laser C10 en station à quelques mètres de l'entrée actuelle de la grotte et devant la ferme des propriétaires des Fraux

Le scanner laser C10 en station à quelques mètres de l’entrée actuelle de la grotte et devant la ferme des propriétaires des Fraux

Étude des parois ornées de nouveaux secteurs de la grotte des Fraux

Par Raphaëlle Bourrillon, Stephane Petrognani, Lise Aurière, Esther Lopez Montalvo

À la suite de l’étude des secteurs du réseau de gauche de la cavité (présentant l’un des plus grand panneau orné), étude menée en corrélation avec l’ensemble des autres spécialités de l’équipe des Fraux, nous avons repris notre marche en avant dans la cavité. Nous travaillons à présent sur d’autres secteurs sub-parallèles caractérisés par des panneaux ornés de tracés digités parallèles, des méandres et des quadrillages. Dans la perspective d’un inventaire général des parois ornées, nos efforts se sont concentrés au cours de cette mission sur l’enregistrement descriptif des manifestations pariétales. Cette étape, indispensable, permet d’enregistrer des informations graphiques (identification des représentations), techniques (tracés digités, gravures…), métriques (mesures des tracés) et stratigraphiques (mise en évidence des différentes phases d’élaboration du panneau orné). Les différents panneaux font également l’objet d’un croquis de lecture précis, ainsi que, pour certains d’entre eux (lorsque la lecture est complexe), d’un relevé.

Dans une dernière étape de ce travail, nous avons procédé à la prise de clichés en haute résolution de l’ensemble des panneaux sur lesquels nous réaliserons le relevé graphique, ainsi que de détails révélant la superposition des tracés.

 

organisation complexe de tracés digités d’un panneau orné du secteur 14 (Bourrillon/Petrognani)

zigzag gravé dans le secteur 18 (Bourrillon/Petrognani)

L’un des panneaux étudié, surchargé de tracés digités se chevauchant, fera l’objet d’un relevé sur support orthonormé au cours d’une prochaine session. L’équipe de l’INSA de Strasbourg et A Burens ont numérisé ce panneau en 3D à l’aide du Scan Arm Faro lors de la dernière session de travail ; le post traitement des nuages de points est en cours.

Grâce aux récentes évolutions techniques des logiciels libres de photogrammétrie, nous avons pu effectuer des tests sur différents panneaux de la grotte. Ces logiciels permettent de réaliser un remontage de différents clichés ; d’obtenir un nuage de points texturé et donc un rendu en 3 dimensions. Des orthophotographies seront générées à partir de ces nuages de points ; elles seront utilisées comme support pour les croquis de lecture et les relevés. Ces restitutions graphiques des éléments ornés seront in fine mappées sur le modèle numérique 3D général de la grotte.

 

Nous tenons ici à remercier vivement Lise Aurière (Docteur en Préhistoire) et Esther Lopez Montalvo (Docteur en Préhistoire), du Laboratoire TRACES-UMR 5608 – CREAP de Toulouse, pour leur participation au travail de terrain et de laboratoire (mission octobre 2012). En espérant les avoir de nouveau avec nous pour une prochaine mission…

L’équipe remercie la famille Goineaud, propriétaire de la grotte des Fraux, pour l’autorisation de mise en ligne ces quelques photographies de la grotte.

Esther Lopez Montalvo et Lise Aurière en train de déchiffrer un panneau orné du secteur 10 de la grotte des Fraux

Numérisation 3D : programmation 2012-2014

La semaine de réunion organisée en juin dernier aux Fraux a été l’occasion de définir nos objectifs, en terme de numérisation 3D, pour le futur programme triennal (2012-2014). L’une de nos priorités reste bien évidemment la fin de l’acquisition de la volumétrie de la grotte dans la partie gauche, à une résolution de 1 point/mm, parallèlement à la numérisation à très haute résolution des panneaux ornés (40 microns).

Soucieux d’optimiser la phase d’acquisition des nuages de points et la qualité du rendu des modèles tridimensionnels, nous avons profité de notre séjour aux Fraux pour tester un tout nouveau modèle de laser scanner (particulièrement adapté aux milieux contraignants tel le milieu souterrain, en raison de sa petite taille et de son poids plume) : le Focus (Faro).

Suite à plusieurs tests, menés en 3 endroits différents de la cavité, l’équipe a choisi de finaliser l’acquisition volumétrique de la grotte avec cet équipement, qui permettra en outre une vitesse d’acquisition très réduite et une restitution des nuages de points en couleur.

Numérisation 3D du secteur 29 de la grotte par -Ch. Cesari avec le Focus

Numérisation 3D d’un dépôt archéologique (photographie publiée avec l’accord de E. et M. Goineaud, propriétaires de la grotte des Fraux)

Reprise de la campagne de laser scanning à la grotte des Fraux

La campagne de laser scanning de mars 2010 était dédiée à la numérisation 3D du réseau droit de la grotte. Malgré des conditions de travail difficiles -liées à un degré d’hygrométrie très élevé dans la grotte et à l’ennoiement de certains secteurs rendus presque impraticables-, l’équipe de l’INSA de Strasbourg était parvenu à scanner plusieurs galeries (secteurs 3, 4, 8).  Des tests de combinaison entre données lasergrammétriques et photographies numériques avaient également été effectués avec le scanner laser Photon et le kit couleur Faro. Ce travail avait bénéficié de la précieuse assistance de Christophe Bénard (société Faro).

Mise en place du kit couleur sur le scanner laser Photon par Christophe Bénard (à droite) et Pierre Grussenmeyer (à gauche)

Ce début de semaine est consacré à la poursuite du travail (engagé en début d’année) de couverture en laser scanning du réseau droit (secteurs 5, 6 et 7). La matinée d’aujourd’hui a permis de numériser en 3D le secteur 7, dont l’accessibilité peu aisée et l’étroitesse ont rendu les différentes mises en station du scanner Faro complexe. Ce secteur est caractérisé par des parois ornées de tracés digités et de décors de fines incisions en croix. Il sera prochainement équipé de plateformes de circulations, rendant l’étude des parois plus aisée.

Samuel Guillemin (INSA Strasbourg) et Vincent Léglise (étudiants à l’INSA) positionnent les sphères de référence dans le secteur 7

Mise en station du scanner Photon dans la vaste galerie 8. Cette première station a permis la numérisation des premiers mètres du secteur 7 qui s’amorce en direction du photographe

Le Photon en station dans l’étroite galerie 7

Billet dédicacé à Pierre Grussenmeyer…