* Université d Orléans, Centre de Recherche sur la Matière Divisée UMR 6619, 1 b rue de la Férollerie, Orléans Cedex 2, FRANCE

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1 Elaboration d une base de données regroupant dans un modèle 3D les cartographies d altération et de datation pour la réalisation d un carnet de santé de monument Xavier Brunetaud * Livio De Luca ** Sarah Badosa *, Kévin Beck * Muzahim Al-Mukhtar* * Université d Orléans, Centre de Recherche sur la Matière Divisée UMR 6619, 1 b rue de la Férollerie, Orléans Cedex 2, FRANCE ** Ecole Nationale Supérieure d Architecture de Marseille, UMR CNRS/MCC 694 MAP, 184 avenue de Luminy, Marseille Cedex 09, FRANCE RÉSUMÉ. Le projet SACRE se base sur la réalisation d un carnet de santé du château de Chambord et vise à constituer une base de suivi scientifique pour la programmation des travaux de restauration. Dans le cadre de cette étude, une première étape consiste à modéliser sous DAO les parties de l ouvrage qui ont été sélectionnées. Cette modélisation consiste à construire, par mesure au tachéomètre et photogrammétrie, un support graphique suffisamment détaillé pour rassembler toutes les données acquises au long du projet. Une cartographie des altérations rencontrées et une cartographie de la datation des pierres par analyse des archives historiques ont également été effectuées. Ces informations sont intégrées à la plateforme logicielle NUBES, qui permet d associer à des objets géométriques des attributs spécifiques tels que la datation et l état d altération. Cette base de données constitue le support du carnet de santé du château de Chambord. ABSTRACT. The project SACRE is based on achieving a health record for Chambord castle and aims to provide a basis for scientific monitoring program for restoration works. In this study, the first step is the CAD modelling of the selected parts of the monument. This model has to construct, by measurement by tachometer and photogrammetry, a graphic support enough detailed to gather all the data acquired during the project. Mapping of encountered deteriorations and mapping of stone dating by analysis of historical archives have also been made. This information is integrated into the software platform NUBES, which can associate with objects specific geometric attributes such as dating and state of deterioration. This database underpins the health record of the castle of Chambord. MOTS-CLÉS : conservation, Altérations, modélisation sous DAO, photogrammétrie KEYWORDS: Conservation, Deterioration, CAD modelling, photogrammetry

2 1. Introduction L importance des dépenses correspondant aux interventions de restauration dans le budget d un ouvrage tel que Chambord conduit à ne considérer que les opérations nécessaires. La nature imprévisible de ces opérations souvent urgentes rend la maîtrise de ce budget très complexe. Pour sortir de cette gestion de l urgence, le Domaine de Chambord, en accord avec l architecte en chef des monuments historiques, se fixe pour objectif de proposer une planification de ces opérations sur 12 ans. Le programme de recherche SACRE (Suivi des Altérations, Caractérisation et Restauration des monuments en pierre calcaire), financé par la région Centre, en partenariat entre le CRMD (Centre de Recherche sur la Matière Divisée), le Domaine National de Chambord, l institut PRISME (Institut Pluridisciplinaire de Recherche en Ingénierie de Systèmes Mécanique et Energétique) et le LRMH (Laboratoire de Recherche sur les Monuments Historiques) vise à donner aux gestionnaires d ouvrages un outil rationnel d aide à la décision pour optimiser la planification des restaurations et ainsi maîtriser leur budget. Ce projet s appuie sur le projet d établissement du Domaine de Chambord dont l objectif est de récoler les plans et informations indispensables à la vie du Domaine pour préserver son patrimoine. Il constitue également une base de suivi scientifique de la restauration du monument avec un apport d information abondant le schéma directeur récemment établi par l architecte en chef des monuments historiques, pour la programmation des travaux de restauration sur le château selon les critères sanitaires et esthétiques retenus. La création d un outil de gestion original permet à terme d être un prolongement logique à ce schéma directeur. La carte d identité d un édifice constitue un élément décisif pour le gestionnaire d un bien. Les données doivent être précisément documentées, archivées afin d être disponibles plusieurs années après pour d éventuelles interventions futures. La durée de vie des monuments étant importante, il faut organiser cette traçabilité non seulement pour l histoire du monument mais aussi parce qu au cours de la vie d un édifice, les conditions environnementales et climatiques (pollution atmosphérique, modifications anthropiques) peuvent évoluer et se traduire sur une même pierre par une modification de l altération et par conséquent, un changement net des mécanismes d altération mis en jeu. L un des objectifs du programme de recherche consiste à établir un carnet de santé de l ouvrage permettant de référencer toutes les informations nécessaires à l établissement d un diagnostic détaillé de l état d altération de l ouvrage, de la localisation des dégradations aux conditions météorologiques, en passant par les archives historiques et architecturales. Ce programme fait intervenir 5 volets : la modélisation sous DAO de l ouvrage qui sert de support graphique pour le carnet de santé ; la réalisation du carnet qui inclut la cartographie des altérations, la datation de la mise en œuvre des pierres, leur provenance et les conditions météorologiques ; la simulation expérimentale et numérique des principaux faciès d altérations ; l application du modèle à l ouvrage

3 sous forme d un logiciel d aide à la décision, et une exposition pour présenter les résultats de ces recherches au grand public. Dans le cadre de cette étude, une première étape consiste à modéliser sous DAO les parties de l ouvrage qui ont été sélectionnées. Cette modélisation consiste à construire un support graphique détaillé pour rassembler toutes les données acquises au long du projet. Dans un premier temps, ce modèle servira de support pour référencer toutes les informations nécessaires à l établissement d un diagnostic détaillé de l état d altération de l ouvrage, de la localisation des dégradations jusqu aux conditions météorologiques, en passant par les archives historiques et architecturales. Toutes les données nécessaires à la description de la géométrie de l ouvrage sont relevées sur site par deux techniques complémentaires : le relevé topographique avec un tachéomètre et la photomodélisation par triangulation spatiale à partir de photographies. L utilisation de photographies à haute résolution permet aussi d obtenir un modèle 3D dont les surfaces ont l aspect exact des façades de l ouvrage. Cet article présente les études d optimisation qui ont permis d établir les différents protocoles qui assurent l obtention d un résultat fiable et suffisamment détaillé. 2. La modélisation sous DAO 2.1. Le domaine d étude Entrée royale Tour du chaudron Ecuries du maréchal de Saxe Figure 1 : Parties étudiées du Domaine National de Chambord

4 Le château de Chambord est l un des fleurons de notre patrimoine bâti. En décidant de créer un établissement public industriel et commercial spécifiquement chargé de la gestion de l ensemble du Domaine depuis le 1er juillet 2005, l Etat a procédé à une réforme qui permet à Chambord de retrouver une cohérence parfois perdue et de mieux valoriser, auprès d un public élargi, un lieu emblématique du génie français participant ainsi à une gestion dynamique d un ensemble patrimonial unique. Le projet SACRE se concentre sur trois parties identifiées du domaine national de Chambord : la façade sud de l enceinte basse, l entrée royale, qui est essentiel pour l image présentée au public, la tour du Chaudron, qui présente un état d altération avancé, et les écuries du maréchal de Saxe, qui n ont jamais été restaurées (Cf. Figure 1) Modélisation de la géométrie et de l aspect de l ouvrage La majorité des points nécessaires à la définition de la géométrie de l ouvrage sont obtenus par triangulation spatiale en utilisant le principe de la photogrammétrie (De Luca, 2009). L édifice est tout d abord découpé en ouvrages élémentaires, chacun étant modélisé séparément. L unité choisie est la travée, c'est-à-dire tout ce qui est compris entre deux pilastres. Dans l objectif de générer des modèles d ouvrages élémentaires définis dans un même repère, il est particulièrement efficace de procéder à un relevé topographique d au moins 8 points par ouvrage élémentaires, en utilisant un tachéomètre. Ces points servent à la fois à définir le repère de la modélisation, mais aussi à estimer la précision du modèle. En utilisant Audodesk ImageModeler2009, nous remarquons qu il est en général intéressant d importer jusqu à 5 points issus d un relevé topographique (3 minimum pour définir un repère). Les points supplémentaires peuvent donc servir à calculer une incertitude. Même si en théorie 2 photographies prises dans des orientations convergentes devraient suffire pour utiliser la photogrammétrie, en pratique au moins 3 photographies se révèlent nécessaires pour obtenir une information fiable. Pour certaines travées particulièrement complexes (ex. portail royal, figure 2), jusqu à 9 photographies ont été utilisées. La méthodologie de photomodélisation suit un plan bien précis : Figure 2 : 9 photographies nécessaires à la définition de la géométrie du portail royal - L apport de photographies. Lorsque ceci est possible, il est préférable de conserver la même distance focale pour toutes les prises de vues.

5 - Le positionnement des points de calibration. Pour définir l origine et la direction de chaque prise de vue, l utilisateur doit reconnaître et préciser la position d une série de points identiques sur toutes les photographies. Il est préférable de choisir des points qui sont visibles sur un maximum de photographies simultanément. - L apport de «survey points». Une sélection des points qui ont fait l objet d un relevé topographique sont inclus en tant que «surveys points». Cela signifie que les coordonnées exactes de ces points sont rentrées directement, ce qui permet de définir un système de coordonnées exprimées dans le repère utilisé pour le relevé topographique. - Une fois la calibration réussie, il est possible de définir la position des tous les points nécessaires à une modélisation précise de l ouvrage, par triangulation spatiale. Le principe est identique au positionnement des points de calibration (Cf. Fig. 3). - Les points définis servent de base à la définition de formes géométriques qui sont choisies pour reproduire le mieux possible la forme de l ouvrage réel. Lorsque ces formes sont définies, il devient possible d appliquer des textures sur leurs faces à partir de projection des photographies prises. Ces objets revêtent donc l aspect de l ouvrage réel, à partir du moment où au moins une photographie contient cette information. Figure 3 : Points (locators) nécessaires au positionnement des formes géométriques

6 La modélisation sous DAO nécessite de simplifier l ouvrage de manière à ne conserver que les points essentiels à sa représentation. Il s agit alors de trouver le bon compromis entre réalisme des formes et efficacité du modèle. En effet, formes géométriques choisies doivent être suffisamment précises et riches de manière à représenter les principales surfaces qui serviront de support pour le carnet de santé (calque d altération, historique, lithologique, environnemental). Cependant, comme ce modèle constitue un document support et non une base de simulation numérique, il doit rester suffisamment simple pour être manipulé de manière efficace, notamment pour l implémentation des calques. Il faut donc essayer de réduire le nombre de surfaces le composant au strict nécessaire (Brunetaud, 2009). D après la comparaison des coordonnées obtenues par triangulation spatiale à partir des photographies et celles obtenues par relevé topographique, les auteurs estiment que l incertitude est inférieure au centimètre. Une fois les textures appliquées sur les faces des objets géométriques, le rendu du modèle s approche de l aspect de l ouvrage réel (Fig 4) Relevé des altérations Figure 4. Rendu du modèle avec ses textures La terminologie à employer et la classification des altérations de la pierre ont été clairement définies dans un glossaire publié par l ICOMOS (Icomos, 2008). Les colonisations biologiques et les détachements et desquamations sont les altérations les plus fréquemment observées sur le tuffeau et plus particulièrement au château de Chambord (Beck, 2005). On note en effet la présence de colonisations biologiques diverses, comme des mousses ou des lichens, ainsi que des détachements de matières d origine physico-chimiques se traduisant par une desquamation de la pierre sous forme de plaque ou de feuillets. Il faut également noter des altérations mécaniques telles que des parties manquantes et des cassures. À partir de ces observations et constats, une cartographie a été réalisée, ayant pour support le modèle 3D (figure 5). Le relevé de ces altérations a été fait par examen visuel de la

7 façade, pour permettre d attribuer à chaque type d altération observé la nomenclature qui lui correspond, afin de localiser pierre à pierre ces altérations. Figure 5. Cartographie des altérations rencontrées sur le château de Chambord. Exemple de la tour du Chaudron L obtention de ces cartographies permet d avoir une vision d ensemble de l ouvrage. Ainsi, on remarque par exemple que les desquamations en plaques, altérations étudiées au cours du projet SACRE, affectent tant les parties hautes que les parties basses en relief, et sont également présentes au niveau des parements verticaux, initiées généralement par des angles de pilastres ou de fenêtres. La cartographie réalisée permet de mieux comprendre la répartition de ces altérations sur les façades, et permet également une localisation précise des altérations et un suivi de leur évolution Datation et provenance des pierres A partir des données parfois lacunaires recueillies dans les archives et des observations faites sur site, il a été possible de localiser pierre à pierre les différents remplacements de pierres des façades concernées. L aile Sud et la tour du Chaudron ont été cartographiées de cette manière avec pour support le modèle 3D. La figure 6 illustre cette localisation des différentes dates de pose de pierres. De plus, les archives sont parfois suffisamment complètes pour permettre d obtenir des informations sur les pierres employées ainsi que leur provenance. Ces données historiques ainsi répertoriées et cartographiées sur le modèle, ajoutées aux autres éléments cartographiés tels que les altérations, permettent la constitution d une base de données utile et évolutive indispensable au suivi du monument.

8 Figure 6. Cartographie des différentes dates de poses de pierres. Exemple de la tour du Chaudron 3. NUBES NUBES est un projet de recherche concernant le développement d un système d informations à l échelle architecturale qui prend en compte les relations que l on peut établir entre la représentation de l édifice (forme, dimensions, état de conservation, restitution hypothétique, etc.) et des informations hétérogènes concernant différents domaines (technique, documentaire, historique). La démarche proposée vise à organiser autour d un modèle de description sémantique des multiples représentations (et des informations associées) dans le but de définir un système pour l observation pluridisciplinaire de l édifice. 3.1 Principe de la plateforme NUBES La plateforme NUBES utilise un modèle de description sémantique comme dénominateur commun entre les représentations possibles de l édifice et les informations liées. Nous construisons autour de la morphologie de l édifice un modèle de description définit par trois niveaux distincts : sémantique, structure, représentation (De Luca, 2007). NUBES VISUM consiste en une application Internet basée sur une architecture en trois parties. Du point de vue technique ce système répond à trois exigences distinctes. Stockage de données hétérogènes. Une base de données, développée en MySQL, organise les données brutes du relevé, les représentations multiples et les informations associées en fonction de différents profils utilisateur. Manipulations de représentations géométriques tridimensionnelles en temps réel. Une scène 3D interactive développée en Virtools DEV permet le téléchargement, l affichage et la manipulation des représentations 3D.

9 Consultation et gestion des données en ligne. L application est développée autour d un site Internet qui constitue l accès utilisateur aux données stockées dans la base et fournit les passerelles nécessaires pour le dialogue entre la scène 3D et la base de données. Pour la manipulation des représentations géométriques nous avons développé une collection de fonctions spécifiques permettant des interactions avec les entités manipulées : navigation dans l espace; procédures pour le téléchargement des représentations géométriques depuis la base de données; outils pour la prise de mesure et l extraction de profils ; intersections géométriques d entités dans l espace ; interpolation des positions et orientations de la camera d observation. 3.2 Décomposition morphologique La description de l édifice démarre au téléchargement d une décomposition morphologique établie à priori obtenue par l approche de reconstruction tridimensionnelle présentée en 2.2. Cette décomposition consiste à organiser les éléments de la scène selon une structure à compartiment dans laquelle on associe de la géométrie à chaque concept atomique. La décomposition est un ensemble d entités morphologiques représentées par des symboles dans l espace qui indiquent le barycentre de l entité et qui sont ensuite utilisés pour la génération des graphes de description. Dans le cadre de l expérience sur le Portail Royal, plusieurs représentations polygonales (enrichies par les textures) sont uploadées au sein de la plateforme en fonction des calques thématiques développés et de différents niveaux de résolution. 3.3 Description de l édifice par graphes tridimensionnels Chaque entité du graphe de description peut être qualifiée par un thesaurus contenant des termes du vocabulaire de l architecte ainsi que leurs définitions. Le système permet de gérer des thesaurus et des attributs personnalisables afin de pouvoir qualifier les entités du graphe de description en fonction de différents domaines disciplinaires (vocabulaires spécifiques à des types de bâtiments, techniques de construction, pathologies de dégradation, etc.). Les attributs assignés aux entités du graphe confèrent ainsi à la représentation 3D de l édifice le statut de base de données. Ceci permet ensuite de formuler des requêtes en fonction de critères qualitatifs (par exemple par rapport à l altération, à la datation et à la provenance des pierres) et de visualiser les réponses spatialisées au sein de la maquette 3D de l édifice. 4. Conclusion et perspectives Le projet SACRE dans lequel ce travail s inscrit vise dans un premier temps à produire le carnet de santé d un monument historique en pierres calcaires,

10 permettant de faire le point sur notre connaissance de l ouvrage : géométrie, nature et âge de la pierre, état d altération, histoire, conditions environnementales. Le travail présenté ici concerne plus particulièrement le premier point : la définition de la géométrie de l ouvrage, c est-à-dire la mise au point d un protocole de relevé topographique et de photomodélisation pour représenter l ouvrage sous DAO. La modélisation 3D de l entrée royale et de la tour du chaudron atteint les objectifs en termes de précision requise et de représentativité de l ouvrage. Grâce à l utilisation combinée d un tachéomètre et de la photomodélisation, la précision atteint le centimètre et le degré de détail retenus permettent de bien identifier les différentes pierres ainsi que les différentes orientations pouvant être à l origine d une variation de comportement face au vieillissement. Une première perspective consistera à adapter la plateforme NUBES à l outil «carnet de santé», en définissant une interface optimisée et en ajoutant des fonctions inédites, comme par exemple le calcul des surfaces altérées pour une étude statistique. Une deuxième perspective pourrait consister à utiliser un scanner laser 3D à longue portée pour représenter l ouvrage de manière plus exhaustive. Dans ce cas, le nuage de point résultant pourrait servir de référence précise pour la mesure de l altération des pierres au cours du temps. Remerciements : Les auteurs tiennent à remercier Quentin Bargot et Benoît Jobard, étudiants en génie civil à l école polytechnique de l université d Orléans, pour leur active participation à la réalisation de la modélisation 3D de la façade sud de l enceinte basse du château de Chambord. 4. Références bibliographiques Beck K., Al-Mukhtar M., «Multi-scale characterisation of two French limestones used in historic constructions», Int. Journal of Restoration of Buildings and Monuments, Vol. 11, No 4, 2005, p Brunetaud, X., Beck, K., Al-Mukhtar, M., (2009) «Méthodologie d acquisition d un modèle du Château de Chambord», 27 èmes rencontres de l AUGC, Saint Malo, France De Luca, L., Véron, P., Florenzano M. «A generic formalism for the sementic modeling and representation of architectural elements», visual computer, vol. 23, 2007, p De Luca Livio, la photomodélisation architecturale, Eyrolles, 264 p., ICOMOS-ISCS, Glossaire illustré sur les formes d altération de la pierre, tes_15_iscs_glossary_stone.pdf