Archéologie et LiDAR : voir le relief sous la forêt

Sous une forêt, la photo aérienne ne montre que des cimes. Le LiDAR, lui, voit le sol : anciens chemins, enclos, terrasses, charbonnières, fossés de mottes castrales, tranchées de la Grande Guerre… Depuis que l'IGN publie, région après région, le LiDAR HD de toute la France, chacun peut faire ce que les archéologues font depuis vingt ans. Ce tutoriel explique comment le laser traverse la végétation, quelles structures on peut reconnaître, et quels rendus les font apparaître.

Comment le laser voit sous les arbres

Un avion balaie le sol avec un laser et mesure le temps de retour de chaque impulsion. Dans une forêt, une partie des impulsions est renvoyée par les feuilles et les branches, mais d'autres passent par les trouées et touchent le sol : un même tir peut ainsi donner plusieurs échos. Une classification automatique, puis contrôlée, trie ensuite les points en classes (sol, végétation, bâti, eau…). Le MNT est interpolé à partir des seuls points « sol » : c'est un relief débarrassé de la végétation et des bâtiments.

La qualité dépend donc du nombre de points qui atteignent le sol. Le programme LiDAR HD vise au moins 10 points par m². Sous des feuillus, un vol hors saison des feuilles laisse passer bien plus d'impulsions ; sous des résineux denses ou des taillis, le sol est moins bien échantillonné et le MNT plus lissé. L'IGN diffuse les nuages de points classés (LAZ) et les modèles dérivés à 50 cm (MNT, MNS, MNH) par dalles de 1 km, voir la page LiDAR HD.

Ce que l'on peut reconnaître

Une structure archéologique se lit par sa forme et sa régularité, souvent de quelques dizaines de centimètres de relief seulement. Quelques signatures courantes en France :

Les rendus des archéologues

Un MNT brut, affiché en dégradé d'altitudes, ne montre presque rien : un fossé de 50 cm se perd dans une colline de 80 m. On calcule donc des rendus qui ne gardent que le relief local.

• Ombrage multidirectionnel : un ombrage classique cache les structures parallèles à la lumière. En moyennant plusieurs éclairages rasants, rien ne disparaît selon son orientation.
• Sky-View Factor (Zakšek et al., 2011) : la part du ciel visible depuis chaque point, dans un rayon donné. Un fossé voit peu de ciel et paraît sombre, une crête en voit beaucoup ; le rendu ne dépend d'aucune direction de lumière.
• Openness positive et négative (Yokoyama et al., 2002) : l'ouverture du relief vers le haut et vers le bas. La positive fait ressortir talus et rebords, la négative les creux.
• Modèle de relief local (LRM, Hesse, 2010) : on soustrait au MNT une version lissée de lui-même. Il reste des bosses et des creux de quelques décimètres, en rouge et en bleu, débarrassés de la pente générale. C'est le meilleur rendu pour les reliefs très doux (parcellaires, terrasses).
• Pente : les ruptures de pente dessinent les bords de terrasses et de plateformes.
• Composites : la combinaison de plusieurs rendus, comme le VAT de Kokalj et Somrak (2019), réunit leurs avantages dans une seule image.

Le faire soi-même

Sans rien installer, l'outil Révélateur LiDAR lit le MNT LiDAR HD de la zone affichée et calcule tous ces rendus dans le navigateur, avec un curseur pour comparer avec la photo et un export PNG géoréférencé pour QGIS.

Avec GDAL, l'ombrage multidirectionnel et un modèle de relief local s'obtiennent en quelques lignes, sur des dalles téléchargées puis assemblées (voir le tutoriel Analyse raster avec un MNT) :

# Ombrage multidirectionnel, relief exagéré 2 fois
gdaldem hillshade mnt.tif ombrage_multi.tif -multidirectional -z 2 -compute_edges

# Modèle de relief local : MNT moins sa moyenne sur 10 m
gdalinfo mnt.tif                                   # noter l'emprise (xmin ymin xmax ymax)
gdalwarp -tr 10 10 -r average mnt.tif mnt_10m.tif
gdalwarp -tr 0.5 0.5 -r bilinear -te xmin ymin xmax ymax mnt_10m.tif mnt_lisse.tif
gdal_calc.py -A mnt.tif -B mnt_lisse.tif --outfile=lrm.tif --calc="A-B"

Affichez lrm.tif dans QGIS avec une rampe divergente (bleu, blanc, rouge) centrée sur 0 et bornée à ± 0,5 m. Pour le Sky-View Factor et l'openness, l'extension Relief Visualization Toolbox (RVT) de QGIS, ou les outils Sky View Factor et Topographic Openness de SAGA dans la boîte à outils de traitement, font le calcul sur toute une dalle.

Les pièges

• L'activité forestière : ornières de débardage, andains de branches, souches arrachées, drains et fossés de plantation imitent très bien des structures anciennes.
• Les artefacts du MNT : là où peu de points atteignent le sol (taillis, résineux, eau), l'interpolation dessine des facettes triangulaires et des surfaces trop lisses.
• L'œil qui cherche : on finit toujours par voir des cercles. Une anomalie isolée vaut peu ; une forme régulière, répétée, cohérente avec le relief vaut davantage.

Avant de conclure, croisez avec les cartes anciennes : la carte de Cassini (XVIII^e siècle), la carte d'état-major (XIX^e) et les photos aériennes depuis 1950 sur Remonter le temps, ainsi que le cadastre napoléonien aux archives départementales. Un chemin disparu ou un lieu-dit « la Motte » y sont souvent de précieux indices.

Ce que dit la loi

Démonstration

La forêt domaniale de Verdun, près de Douaumont : sous les arbres replantés après 1918, le sol garde les cicatrices de la bataille de 1916. La couche grise est l'ombrage du LiDAR HD publié par l'IGN.

À essayer : faites glisser le curseur de la photo vers le LiDAR et regardez la forêt disparaître : des milliers de trous d'obus apparaissent. Visitez ensuite les autres lieux, puis ouvrez le même endroit dans le Révélateur LiDAR pour le voir en Sky-View Factor ou en relief local.