Projet collectif de recherche en pays de Bray (2016 - 2018)

Projet dirigé par Christophe Colliou

Le projet

                Le thème de ce PCR est : production et échange en Pays de Bray, de l'époque Protohistorique aux Temps modernes. Une équipe pluridisciplinaire aborde à travers ce thème l'étude des lieux de pouvoir et du peuplement, selon des aspects structurels et historiques, les défrichements, l'occupation du sol et les voies de communication anciennes, l'exploitation des forêts et le charbonnage, mais aussi les productions céramiques et métallurgiques. Le travail de collecte des données est effectué pour une part aux archives départementales de Rouen et pour une autre part, sur le terrain et en prospection aérienne. Au final, les résultats obtenus par les différents chercheurs sont intégrés dans un système d’information géographique  (SIG) spécialement développé pour l'occasion. Le système retenu pour le projet est le logiciel libre Qgis. Cette numérisation des données permettra des traitements très variés en fonction des axes de recherche des différents chercheurs de l'équipe.
 Une autorisation pour lancer le projet en 2016 a été demandé auprès du Service Régional de l'Archéologie (SRA, service dépendant de la DRAC). Cette demande officielle concerne les autorisations de travaux sur le terrain (sondages et fouilles), les autorisations de survols et d'utilisation d'un drone (qui seront délivrées par la préfecture) et une demande de financement pour le fonctionnement du projet.

 Tout au long de sa période de fonctionnement, le PCR sera supervisé par le SRA de Haute-Normandie, en la personne du Conservateur Régional de l'Archéologie (CRA). Le projet a déjà été présenté au CRA, qui a émis un accueil favorable et envisage de le soutenir avec une enveloppe de fonctionnement d'environ 5000 € par an. Ce budget est destiné au remboursement des frais de déplacement, à l'organisation des rencontres entre chercheurs, aux opérations de terrain et au financement des publications.

Les financements dédiés au PCR seront gérés par le Centre Régional de Recherche Archéologique de Haute-Normandie (CRAHN). Le CRAHN est une association loi 1901 existant depuis plus de 35 ans et partenaire officiel et régulier du SRA pour l'organisation de manifestations culturelles (conférences, organisation des Journées Archéologiques Régionales...).
Ce PCR a débuté en 2016 et doit durer trois ans. Chaque année, un rapport destiné au Service Régionale de l'Archéologie et rendant compte de l'avancée des travaux sera rendu. Les résultats seront évalués par la commission interrégionale de la recherche archéologique (CIRA), composée de spécialistes du secteur. Au bout des trois ans, une publication d'envergure devra présenter une synthèse des résultats. Les projets de type PCR s'inscrivent généralement dans la durée. Une fois arrivé à terme, ce projet trisannuel pourrait être renouvelé pour trois ans supplémentaires.
 L'idée principale de ce PCR est de développer un outil informatique permettant de faire apparaitre la dimension historique du paysage de la zone d'étude. Dans ce but, le système d’information géographique (SIG) va d'abord intégrer les nombreuses caractéristiques du pays de Bray. Les informations géographiques, géologiques et archéologiques déjà connues seront saisies, puis suivront les données et résultats obtenus par les différents chercheurs dans le cadre du PCR. Une fois finalisé, cet outil autorisera la réalisation de nouveaux tracés. Ces cartes pourront donner des informations sur le déboisement, l'agriculture ancienne, la régulation des cours d'eau, etc. À terme, le SIG doit aider à discerner les actions anthropiques dans la formation des paysages. Ces informations permettront d'établir une chronologie relative de leurs mises en place.
 
Pour alimenter la base de données, il sera massivement fait appel aux images aériennes, car elles permettent un effet de recul, elle dégage l'ensemble du détail et en particulier les rapports de l'homme et du milieu. La photographie aérienne sert par excellence l'étude des civilisations passées, car une civilisation se définit d'abord par son implantation : groupement de l'habitat, voies de communication et, plus encore, allure du parcellaire. L'enracinement au sol d'une société représente un ensemble trop vaste et trop complexe pour être saisi de façon synthétique par un observateur terrestre. La vision aérienne ramène l'information à une échelle propre à être capté par l'œil humain.
La finalité de cet outil archéogéographique est donc de constituer une véritable base de données à destination des chercheurs, mais la notion de patrimoine archéologique et historique est également prise en compte. Dans ce secteur de la Haute-Normandie, le développement du maïs, des cultures céréalières et l'emploi d'engins mécanisés de plus en plus lourds arasent les fragiles structures anciennes. À défaut de le préserver, la mise en place de ce SIG permettra d'inventorier et d'enregistrer le paysage historique avant sa disparition.
 La zone d'étude et son intérêt
                Le Pays de Bray est situé au Nord-Ouest de la France, à cheval sur les départements de Seine-Maritime et de l'Oise, il constitue une bande d'une dizaine de kilomètres de large s'étirant sur environ quatre-vingts kilomètres entre Neufchâtel-en-Bray et Beauvais, pour une surface d'environ 750 km2. Cette zone est une particularité géologique, elle correspond à un anticlinal érodé du Bassin parisien, sorte de pli étroit au centre du vaste plateau calcaire, qui lui a valu le nom de «Boutonnière du pays de Bray». Cette boutonnière est bordée par des escarpements formant deux sortes de "lèvres", côtes ou cuestas crayeuses de 60 à 150 m de dénivellation. On y trouve des formations ferrugineuses qui n'existent pas sur le plateau crétacé.
                En dehors des recherches sur la métallurgie ancienne et de quelques opérations préventives réalisées à l'occasion de la construction des autoroutes A28 et A29, les investigations historiques et archéologiques sur le Pays de Bray datent essentiellement du XIXe siècle. La mise en place de ce PCR et le développement d'un outil informatique dédié sont d'excellents moyens pour faire émerger l'histoire de cette partie de la Normandie laissée dans l'ombre depuis plus d'un siècle.
Exemple d'une utilisation du système d’information géographique avec une recherche sur la métallurgie ancienne
                L'étude envisagée sur le pays de Bray se veut pluridisciplinaire, elle est donc très diversifiée. Pour ne pas alourdir inutilement le dossier, nous avons choisi de ne présenter ici que la méthode de travail développée pour la recherche sur la métallurgie ancienne. Cette méthode utilise massivement les images aériennes, elle sera reprise avec des adaptations pour les recherches sur les cours d'eau, les moulins, les voies et chemins anciens, les défrichements, etc..
                 Dans sa thèse soutenue en 2013, C. Colliou avait mis en évidence une relation entre la production de fer par réduction directe et les concentrations de charbonnières visibles sur les vues aériennes (voir en exemple la fig. 01). Les systèmes de production anciens du fer ne pouvaient en effet fonctionner qu'avec du charbon de bois pour des problèmes de température et ces fours étaient de très grands consommateurs de combustible. Il fallait donc une importante production de charbon de bois pour parvenir à obtenir du métal. Cette production était localisée à proximité des ateliers des métallurgistes et elle a laissé des traces dans les champs labourés. Ces traces se sont avérée être presque imperceptibles depuis le sol, mais aisément discernables depuis un point haut. Le meilleur moyen pour chercher ces vestiges s'est révélé être la vue aérienne. Différentes ressources ont été utilisées pour obtenir des informations :
 
- les photos aériennes verticales de l'IGN, de 1947 à nos jours
- les globes virtuels comme Géoportail, Google Earth, BingMaps, NASA Worldview...
- les images satellites,
- les prospections aériennes effectuées en ULM.
 Ainsi pour le pays de Bray un corpus de 230 parcelles labourées a été établi (représentant plus de 2900 hectares en surfaces cumulées) directement ou potentiellement en rapport avec l’activité métallurgique ancienne (voir fig. 01). Dans un second temps, 46 prospections pédestres ont été menées en partant des informations aériennes. Ces prospections ont donné des résultats très satisfaisants : près de 70 % des champs labourés inspectés ont révélé la présence de scories, preuve de la présence d'anciens ateliers métallurgiques.
 
 Un nouvel outil d'investigation
Cette méthode d'investigation sur la métallurgie ancienne rend bien compte de l'activité passée, mais elle n'apporte aucune précision sur sa chronologie, ce qui pose un problème majeur auquel ce PCR compte apporter une solution.
Une grande partie des images aériennes utilisée pour l’étude sur la métallurgie ancienne ont été obtenues lors de prospection en ULM. Lors de ces opérations, une méthode spécifique de prospection aérienne a été développée pour obtenir des orthophotographies à très forte résolution (voir infra). Ces images permettent de dépasser la simple observation des concentrations de taches charbonneuses comme sur la figure 01. Elles autorisent la mise en place d'un traitement statistique permettant de discriminer des grandes familles de charbonnières, en utilisant la taille ou la disposition de ces structures et ainsi mettre en place une typologie, voire une chronotypologie après une étude au sol. Pour ce faire, nous comptons utiliser ImageJ, un logiciel libre d'analyse et de traitement d'image. Dans la cadre de l'étude, ce logiciel sera utilisé sur les taches de charbonnière visibles sur les photos redressées pour :
- établir un comptage des taches en fonction de la surface de la parcelle labourée où elles ont été observées.
- relever leurs répartitions.
- rechercher les contours des taches pour obtenir leurs mensurations.
Ce travail s'appuie sur l'idée que sur la zone restreinte du pays de Bray, pour une même époque, les charbonniers devaient tous utiliser une méthode de travail similaire. Par suite, les mensurations de leurs unités de charbonnage étaient proches, voire semblables. Le traitement informatique des images aériennes devrait permettre de discriminer des grands ensembles et donc différentes époques dans les concentrations de charbonnage visibles sur les clichés aériens. Des fragments de charbon seront ensuite prélevés dans des charbonnières représentatives à l'occasion de sondages archéologiques. Ces charbons seront datés par dosage radiocarbone. La datation absolue obtenue permettra de replacer chronologiquement les grands ensembles identifiés et donc d'estimer le travail réalisé à différentes époques et l'impact de l'homme sur l'environnement.
 De plus, le travail de thèse de C. Colliou a révélé que la recherche de sites d’extraction ou de traitement du minerai en utilisant les vues verticales de l’IGN ou Géoportail ne donnait que peu de résultats. La résolution des images disponibles n’est pas suffisante pour permettre une investigation fine. La seule information exploitable tirée des photographies aériennes a été obtenue grâce à un cliché pris en ULM, ce qu'illustrent les figures 02 et 03. Sur une parcelle située à l’est de la commune du Fossé (76), un rond rouge foncé apparait sur le cliché oblique (cercle R sur la figure 02). Lors de la préparation de cette prospection aérienne, plusieurs champs avaient été encerclés de balises (ronds en rouge sur la figure 02). Cette opération avait été effectuée quelques jours précédant le vol en utilisant un tachéomètre. L'objectif était clairement de pouvoir redresser les images prises d'ULM pour obtenir des orthophotographies.
 
L'obtention d'orthophographies aériennes
L’orthophotographie 03 permet de bien discerner la zone rouge R et de la mesurer. Elle forme un ovale mesurant environ 30 m sur 25 m et n’est pas étirée dans le sens des labours. La teinte de la tache n’est pas homogène, une partie plus foncée, voire noire, est nettement discernable. L’oxyde de fer passé au feu teinte de façon extrêmement tenace. Cette tache R est vraisemblablement la mise en évidence par les labours de la présence de fours et du minerai utilisé pour les réductions. Même sans aller sur le terrain fouiller cette structure, il est presque certain que cette tache est liée à la métallurgie du fer. Cet exemple montre tout le potentiel d’une prospection aérienne effectuée à basse altitude, en choisissant exactement les conditions de prise de vue[1], pour obtenir localement des photos à forte résolution qui n'existent pas autrement.
                 Si l'ULM est très avantageux vis-à-vis de l'avion, notamment grâce au prix de l'heure de vol et sa souplesse d'utilisation, il reste cependant très dépendant des conditions climatiques, de la disponibilité du pilote et du plan de vol préalablement prévu duquel on ne peut s'écarter (notamment pour le problème de l'autonomie). De plus, l'information au sol peut rapidement s'estomper. Vues du ciel, les taches sont très visibles peu de temps après les labours ou après une période de pluie. Sur une parcelle labourée, les structures peuvent disparaitre rapidement dès que poussent les cultures. Ces différents problèmes nécessitent une grande réactivité pour programmer et effectuer un vol. Ajoutons la nécessité de poser des balises pour géoréférencer les images, balises qui peuvent facilement être vandalisées ou être emportées par le vent si elles restent trop longtemps en place quand la météorologie n'autorise pas le vol. Pour faire face à ces problèmes, l'utilisation d'un nouveau type d'aéronef a été envisagée pour récupérer l'information : un drone (voir fig. 04). Ce type d'appareil permettrait de traiter un grand nombre de champs en étant extrêmement réactif par rapport aux conditions climatiques, aux périodes de labours, de semi et de repousse des plantes. Avec un drone, deux personnes suffiraient pour poser les balises, les géoréférencer, prendre les images aériennes et recommencer autant de fois que possible l'opération tant que les conditions météorologiques le permettent.
 
 Un système d’information archéogéographique performant
L’utilisation de la photographie aérienne verticale et oblique pour l’étude de structures linéaires archéologiques dans le paysage commence au début du XXe siècle et a véritablement pris son essor dans les années 50. Dans les années 70-80, des chercheurs se sont également tournés vers les photographies aériennes verticales (produites par l'IGN), qui permettent d’embrasser un vaste territoire et de travailler autant sur les réseaux (parcellaire, voirie) que sur les vestiges ponctuels. Aujourd’hui ces deux applications sont complémentaires dans la recherche générale du paysage archéologique et leur intégration dans des (SIG), souvent associés à d’autres méthodes de télédétection (analyses de l’imagerie satellitaire, détection aérienne au radar). Le système d’information géographique  permet de dépasser la simple représentation par un point des sites archéologiques et autorise un relevé des caractéristiques des grandes superficies. Il fournit une couverture complète qui offre la possibilité d’analyses spatiales poussées et très diverses. La mise au point de l'outil SIG passe par la réalisation d'un orthophotoplan géoréférencé, réalisé en fusionnant les photographies obtenues lors de prospections aériennes. Cet orthophotoplan permet d'obtenir une mosaïque couvrant la zone étudiée avec une excellente résolution. Cet outil est aussi capable de superposer tous les documents planimétriques disponibles : photographies aériennes, orthophotographies, mais aussi plans de fouilles anciens, photographies infrarouges, cartes anciennes, etc.
Un nouveau vecteur pour la recherche
                L'archéologie aérienne est un outil très efficace pour la détection de sites inédits ou la documentation précise de sites déjà connus ou en cours de fouille. Cependant, c'est souvent la chance qui est à l'origine des plus spectaculaires découvertes aériennes, à la faveur de conditions d'éclairages rasants, d'humidité propice ou de mûrissement favorable des cultures, autant de paramètres impossibles à maîtriser quand les missions de survols aériens doivent être planifiées plusieurs semaines à l'avance. Il est de plus difficile de répéter fréquemment des missions de survol coûteuses pour observer la variation des résultats en fonction du changement des paramètres d'intervention. Enfin, ces différentes méthodes d'acquisition sont généralement caractérisées par la faible résolution spatiale des données acquises du fait de l'altitude de vol des avions utilisés en prospection aérienne qui ne peuvent descendre sous le plancher des 150m, de la vitesse du vol ou de la faible résolution spatiale des images acquises par satellite. Car si l'imagerie satellitaire a permis d'augmenter la résolution spectrale des observations archéologiques, elle est pénalisée par une résolution spatiale généralement faible des informations acquises. Par exemple, les capteurs Landsat étant les plus complets dans le spectre lumineux livrent des images dont la résolution spatiale du pixel n'est que de 15 ou 30 m au sol, ce qui peut être notoirement insuffisant pour la télédétection de vestiges archéologiques peu étendus.
                Face à ces problèmes, l'utilisation d'un drone apporte une solution. Un grand intérêt de l'usage de ces appareils en télédétection archéologique est leur faible coût d'exploitation comparativement aux autres méthodes évoquées. Si l'investissement de départ est assez conséquent (plusieurs milliers d'euros pour un appareil), la rentabilité est accrue par la possibilité de répéter de nombreux vols avec un coût d'exploitation limité à quelques centaines d'euros par an pour le remplacement des consommables que sont les batteries LiPo ou autre petit matériel. La démocratisation récente des drones engendre une rupture méthodologique en matière de télédétection archéologique. Le premier point concerne la facilité d'utilisation de ces engins, qui fournissent des environnements de vol sécurisés, notamment grâce aux systèmes de navigation GPS et la possibilité de programmer des vols semi-automatisés. Cette flexibilité permet également de répéter des vols sur la même zone. Le deuxième point intéressant pour la télédétection archéologique est la faible altitude de vol des drones, permettant la documentation d'une échelle intermédiaire entre le site ponctuel et la commune. La basse altitude est aussi un moyen d'acquérir des informations de meilleure qualité et de très grande résolution.
                De même, le faible encombrement du matériel nécessaire associé à cette facilité de mise en œuvre permet une prise de décision rapide pour la réalisation des survols, en fonction des conditions météorologiques du moment. Selon ces paramètres, il peut être décidé de réaliser un survol du jour au lendemain, voire même du matin pour l'après-midi. L'ensemble du matériel peut être embarqué dans un utilitaire de faible volume ou dans le coffre d'une berline et transporté sur le lieu de vol. Cette souplesse d'utilisation est très précieuse en télédétection archéologique, car elle permet de choisir les paramètres optimaux de réalisation du vol en fonction des vestiges recherchés (conditions atmosphériques et humidité du sol par exemple). Elle permet surtout de faire varier ces paramètres par des survols répétés au-dessus de la même zone d'intérêt afin de maximiser les chances de détection de vestiges. En effet, on sait que des conditions de vol données ne seront pas favorables à la détection de tous les types de vestiges.
                Le diagnostic complet d'une zone donnée ne peut donc être réalisé de façon fiable que par des survols répétés à différents moments de la saison culturale, ce que permet la souplesse de mise en œuvre des drones. On peut ainsi compter de façon plus assurée sur la maîtrise des paramètres de détection des vestiges que sur le "facteur chance" qui est le plus souvent à l’œuvre dans la télédétection aéroportée ou satellitaire.
 De nouvelles images de travail
                Les progrès en matière de résolution des images numériques et la possibilité de les acquérir en grand nombre, avec un fort taux de recouvrement grâce à l'utilisation d'un drone, permettent de couvrir des zones de plusieurs hectares en vue de la modélisation 3D photogrammétrique[2]. De plus, l'augmentation constante des capacités de calculs des ordinateurs accessibles au plus grand nombre, et la mise à disposition d'algorithmes permettant l'automatisation d'un certain nombre d'étapes de la restitution 3D photogrammétrique (appariement des images, création de mosaïque par exemple) rendent la méthodologie relativement accessible. La restitution 3D par photogrammétrie permet un gain de temps non négligeable dans la démarche de relevé d'informations archéologiques par comparaison aux techniques plus traditionnelles qui consistent en un maillage de points relevés à l'aide de GPS différentiels ou d'une station totale. La surface de la zone à traiter et la finesse du maillage souhaité peuvent conduire à des temps de travail sur le terrain pouvant atteindre plusieurs heures, voire plusieurs jours. L'usage d'un drone équipé d'un appareil photographique numérique permet de couvrir une surface d'environ 4 à 5 ha au cours d'un vol d'une dizaine de minutes.
                Ainsi, l'aspect innovant de ce projet tient en la combinaison d'un outil informatique très performant, capable de traiter des images d'une exceptionnelle qualité, obtenues grâce à une technologie novatrice et dotée d'un fort potentiel de développement.
 

 

Fig. 01. Commune de la Ferté-Saint-Samson (76). Cette vue aérienne, prise à environ 400m d'altitude, met en évidence une concentration de taches sombres sur les différentes parcelles labourées. Les taches grossièrement circulaires correspondent à des charbonnières. Les points jaunes indiquent les différents endroits où des scories de réduction ont été prélevées lors des prospections pédestres effectuées pour évaluer la correspondance entre les concentrations de ces taches et l'activité métallurgique (cliché : C. Colliou).

 

 

Figure 02. Vue oblique de la parcelle cadastrale 1016, commune du Fossé (76). Les ronds rouges indiquent les balises disposées sur le pourtour du champ et dont les positions ont été relevées au tachéomètre. Le cercle R indique la zone rouge. Les travaux de construction de la déviation RD 915 de Forges-les-Eaux sont visibles au nord (cliché : C. Colliou).

 

 

Figure 03. Orthophotographie de la parcelle 1016. Cette image a été obtenue en redressant la vue aérienne oblique 02, en utilisant les coordonnées des balises géoréférencées (cliché : C. Colliou).

 

Fig. 04. Exemple de drone équipé pour la photographie aérienne.



[1] La photo a été réalisée au mois de juin à mi-journée (le 07/06/2006 à 11h30), de manière à éviter au maximum l’ombre dans les sillons et obtenir une luminosité et un contraste maximum des couleurs. Les cultures commençaient à pousser. Elles apparaissent en vert. Une semaine de plus pour le survol et rien n’aurait été discernable sur les clichés. La figure 03 permet également de vérifier les différences déjà évoquées entre les taches de charbonnière, tant pour la taille que pour le contraste.

[2] La photogrammétriese base sur des calculs de corrélation entre des images numériques. Cette technique repose sur une modélisation rigoureuse de la géométrie des images et de leur acquisition afin de reconstituer une copie 3D exacte de la réalité.