INSA de Strasbourg, Institut national des Sciences appliquées

Ecole publique d'Ingénieurs et d'Architectes

     
FORMATIONS
Recherche, Architecte, Ingénierie, Génie mécanique, Génie climatique et énergétique, Génie éléctrique, Génie civil, Plasturgie, Mécatronique, Topographie, Formation continue, Alternance
MOTS-CLES
Valorisation, Concevoir, Initier, Innover, Bâtir, Partenariat, International, Développement durable, Réseaux

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Cours en ligne de photogrammétrie : historique

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Évolution de la Photogrammétrie Architecturale du 19e siècle à nos jours :

La Photogrammétrie fait partie intégrante du domaine de la Topographie dans la mesure où elle s'efforce de reproduire la nature le plus fidèlement possible. Cette discipline apparue au milieu du 19ème siècle, s'appuie sur des bases théoriques bien établies, et ce, depuis plusieurs siècles. Dès l'arrivée de la photographie, Laussedat commence à mettre en pratique, en 1852, les méthodes de relevé topographique qu'il avait établies au préalable et qui n'attendaient plus que cette invention. Parallèlement à ces expériences, l'architecte allemand Meydenbauer utilise lui aussi (dès 1858) la photographie pour ses travaux de restauration. Ce dernier introduit le terme de « Photogrammétrie » en 1893 et consacre exclusivement cette discipline au relevé de l'Architecture et à la conservation du patrimoine.Les différentes méthodes imaginées par ces "inventeurs de la photogrammétrie" ne reposent alors que sur des principes purement géométriques (on parle alors de "métrophotographie graphique") et il faut attendre 1896 pour qu'émerge le principe de la stéréoscopie au travers du premier appareil de restitution construit par Deville. La métrophotographie graphique et la stéréophotogrammétrie se trouvent alors en conflit jusqu'en 1945, où la stéréophotogrammétrie prend alors le dessus. Enfin, depuis les années 1960, de nombreuses avancées techniques ont permis l'évolution des instruments et des méthodes photogrammétriques.

... en attendant la photogrammétrie : quelques principes géométriques

Les grands principes de la topographie sont posés dès le milieu du XVème siècle par Alberti lors du relevé de Rome, où il imposa le triangle comme figure géométrique de base du levé : la trigonométrie devient la base mathématique du géomètre. De là émanent entre autres le portillon de Dürer, le carré géométrique, prémisses qui donneront bien plus tard naissance à la tachéométrie. Parallèlement, les premières études relatives à la perspective (sans lesquelles la photographie n'aurait pas vu le jour !) émanent tout naturellement du domaine de la peinture. Comment représenter l'espace sur un plan ? Les traces les plus anciennes que l'on peut retrouver remontent à Léonard de Vinci et Dürer (fin du 15ème siècle). Les systèmes expérimentaux élaborés sont alors respectivement la chambre obscure et le châssis à réseau. Porta poursuivit ensuite l'étude de la chambre obscure au siècle suivant. L'aboutissement est la chambre claire de Wollaston au début du IXème siècle.

 

Détails sur la chambre obscure et la chambre claire :

- Dés l'Antiquité, Aristote découvre le principe de la chambre obscure. Il remarqua au cours d'une éclipse solaire qu'un rayon issu d'un orifice circulaire - sur le mur d'une pièce plongée dans l'obscurité- projetait sur le mur opposé une image inversé du phénomène.
- En 1515, Léonard de Vinci décrit le principe de sa "camera obscura", chambre obscure. "Un rayon de soleil qui pénètre par un petit trou dans une chambre obscure dessine sur le mur opposé l'image inversée du décor extérieur".

 

Exemple de chambre claire

Exemple de chambre claire 

 

- En 1540, Jérôme Cardan ajoute une lentille pour améliorer la clarté et la netteté de l'image.
- En 1558, Jean-Baptiste Della Porta démontre l'utilité pratique de la chambre obscure pour dessiner l'image de n'importe quel objet. Après les interventions de ces trois inventeurs, l'instrument - aussi appelé "chambre noire" - connaît de nombreuses évolutions (amélioration de l'image, réduction de l'encombrement) et il ne manque plus que l'émulsion argentique pour transformer ces machines à dessiner en chambres photographiques.
- Vers 1812, l'anglais William H. Wollaston met au point la chambre claire qui permet, grâce à un prisme à réflexion totale,de voir dans un même plan les images d'objets situés dans des régions différentes de l'espace. En superposant l'image d'un objet et l'image d'un écran (par exemple, une feuille de papier), elle permet à l'observateur de dessiner aisément le contour de l'objet dont il voit l'image projetée sur la feuille.

 

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Le chassis à réseau de Dürer 


La photographie

On doit l'invention de la photographie à Niepce, Daguerre et Talbot. Dés 1839, date de naissance officielle (appropriation de l'invention par l'État), des savants du monde entier y voient un profond intérêt, et tentent d'en améliorer le procédé. C'est alors qu'on voit se développer la photographie dans des domaines aussi variés que l'astronomie, la zoologie, la botanique, la géographie et l'architecture. Pendant longtemps, le temps de pose nécessaire restait relativement contraignant pour certaines applications, mais le relevé architectural est de manière logique, peu perturbé par ces considérations.

L'utilisation de la photographie se démarque des méthodes de relevé topographique traditionnelles dans la mesure où sont "imprimées" sur la surface sensible l'ensemble des points du terrain. Ainsi, alors qu'on devait jusqu'ici retourner sur le terrain pour combler d'éventuels manques d'information, il suffit désormais de mesurer les points à ajouter. cette "mémoire globale" constitue l'essence même de la photographie ; c'est ce qui différencie une chambre obscure d'une chambre de prise de vue.

NB : On peut toutefois noter que le choix de l'angle de prise de vue peut imposer certaines zones d'ombre qu'il conviendra de compléter si le travail le nécessite

Aimé Laussedat (1819-1904)

Directeur du Conservatoire des Arts et Métiers et membre de l'Académie des Sciences, le Colonel Laussedat est considéré comme l'inventeur de la photogrammétrie.

- En 1849, Laussedat développe une idée de l'hydrographe Beautemps-Beaupré : il imagine d'utiliser les perspectives dessinées comme des documents métriques à partir desquels il est possible de reconstituer le faisceau perspectif formé par l'ensemble des rayons visuels partant de tous les points d'une construction et aboutissant à l'oeil de l'observateur. En utilisant a chambre claire de Wollaston, il améliore la qualité des perspectives dessinées (enregistrement exact). Il crée alors "la méthode des perspectives" en utilisant chaque perspective individuellement.
- L'arrivée de la photographie permet l'enregistrement photographique des perspectives (avec tous les avantages que cela comporte). Il renomme alors sa méthode "Métrophotographie".

 

laussedat
Aimé Laussedat (1819-1904)

 

 

 


- En 1850 il utilise simultanément plusieurs perspectives lors du relevé du château de Vincennes, procédé qui permet la mise en place de tous les détails par intersection des rayons lumineux.
- En 1861, il réalisa le premier relevé topographie complet sur le village de Buc près de Versailles à partir de huit clichés sur plaques au collodion humide.

Jusqu'à sa mort, il réclama sans cesse, mais vainement, la fondation en France d'un Institut d'Archives Métrophotographique des monuments historique (analogue à celui crée en Allemagne par Meydenbauer).

Albrecht Meydenbauer (1834-1921)

Architecte allemand né le 30 avril 1834 à Tholey.

Après avoir achevé ses études à Berlin, il est chargé par le gouvernement prussien de mesurer des bâtiments. En septembre 1858, une de ses premières missions, le levé de la cathédrale de Wetzlar fut un tournant déterminant de sa carrière : après un accident qui faillit le faire tomber 25m plus bas, il eut l'idée de remplacer les mesures directes parfois périlleuses par des mesures indirectes sur des photographies. A partir de cet instant, il déploya toute son énergie dans ce sens.
- En 1860, il envoya au Conservateur de l'Héritage Culturel de Prusse un mémorandum qui décrit l'intérêt de cette méthode. Il commença ensuite à développer des méthodes de mesure, à inventer de nouveaux instruments, se rendant vite compte que les chambres de prise de vue commerciales n'étaient pas suffisantes (cf. matériel de Meydenbauer). Malgré ses quelques publications, il ne parvient pas à capter l'intérêt du gouvernement, et est donc forcé de poursuivre ses recherches en dehors de son temps de travail.

 

Albrecht Meydenbauer (1834-1921)

 

Albrecht Meydenbauer (1834-1921)

 

- Pendant l'été 1867, Meydenbauer effectue les premiers tests en utilisant une chambre de sa conception. Il prouve alors en photographiant l'église de Freiburg-in-Unstrut (à 180km au sud de Berlin) que la photogrammétrie (terme qui n'existe pas encore) est une méthode fiable pour le relevé de l'architecture. En même temps, ses essais confirment aussi l'utilisation possible pour le levé topographique. C'est alors qu'il prend connaissance des travaux que Laussedat effectue en France. Il s'empresse alors de publier un article (décembre 1867) dans lequel il utilise pour la première fois le terme « Photométrographie ».

La méthode de Meydenbauer 

Pour la restitution à partir de photographies, Meydenbauer établit en fait deux méthodes graphiques toutes deux basées sur les grands principes de la géométrie descriptive. Pour les appliquer, il prend soin d'assurer la stricte verticalité du plan image lors de chaque prise de vue :

- la première méthode consiste en l'utilisation des différents points de fuite. Ces points caractéristiques se retrouvent dans le plan de la photographie à l'intersection de lignes particulières (lignes parallèles sur l'objet). Ainsi, pour retrouver ces points sur le cliché lui-même, Meydenbauer préfèrera des vues obliques, ce qui amplifiera le phénomène de perspective.
- la seconde méthode repose sur l'intersection graphique de deux rayons pour définir la position d'un point. Chaque point souhaité doit alors être visible sur au moins deux clichés.

 

Matériel de Meydenbauer

Le premier appareil photographique construit par Meydenbauer en 1867 est aussi la première chambre de prise de vue spécialement destiné à la photogrammétrie. Il s'agissait d'une chambre 30 x 30 cm munie d'un objectif avec une focale de 25cm.

A cela s'ajoutent 4 caractéristiques primordiales que l'on retrouve dans toute les chambres photogrammétriques actuelles :

 

Matériel de Meydenbauer

 

- un système garantissant la stabilité et une bonne définition du plan image
- un système de coordonnées image défini par un maillage appliqué sur l'image lors de l'exposition.
- un boîtier compact muni d'une focale fixe (pour définir la distance principale)
- utilisation d'un trépieds avec la possibilité de garantir avec précision l'orientation externe (axe de visée horizontal, plan image vertical, axe 'ox' horizontal. Meydenbauer utilisa ensuite d'autres focales (35cm et 53cm), et ajouta à ces chambres en 1879 la possibilité de décaler verticalement la position de la lentille (excentrement du point principal).

La reconnaissance

Jusqu'au début des années 1880, Meydenbauer continue de consacrer son temps libre au développement de cette nouvelle discipline, cherchant à publier de temps à autres quelques essais, et ce n'est qu'en 1881 qu'il est invité pas le Ministère de la Culture à exposer ces recherches aux Universités Techniques de Aachen puis de Berlin. Il devint alors important de valider de façon officielle la méthode photogrammétrique et ce fut l'objet d'un test organisé et contrôlé par un organisme gouvernemental. Après une campagne de mesures réalisée par Meydenbauer et de façon indépendante par un géomètre du gouvernement, on a pu comparer les deux méthodes et se mettre d'accord quant à la précision de celle défendue par Meydenbauer. La photogrammétrie fut alors acceptée officiellement par le Parlement Prussien pour le relevé des monuments architecturaux. Meydenbauer rejoint le Ministère de la Culture où il est chargé de l'introduction de la photogrammétrie pour la documentation des monuments culturels. C'est alors qu'est créé la première institution de photogrammétrie au monde : l'Institut Royal Prussien de Photogrammétrie (Königlich Preußische Meßbildanstalt).

L'Institut Royal Prussien de Photogrammétrie

Le but de cet institut était de documenter tous les monuments du patrimoine culturel de Prusse. En 1909, lors du départ en retraite de Meydenbauer, l'institut avait archivé près de 11000 clichés se rapportant à 1200 monuments prussiens, 1600 clichés pour une centaine de bâtiments du reste de l'Allemagne et 800 photographies pour des monuments étrangers. Son oeuvre a ensuite été poursuivie par ses collaborateurs jusqu'en 1945 pour arriver à près de 76000 clichés.

Le mot « Photogrammétrie »

C'est à Meydenbauer que l'on doit le mot « Photogrammétrie », assemblage des mots grecs « photos » (la lumière), « gramma » (quelque chose d'écrit ou dessiné) et « metron » (la mesure), en 1893.

« La photogrammétrie est la science ou la technique permettant d'obtenir des informations fiables sur l'espace naturel ou sur des objets physiques par l'enregistrement, la mesure et l'interprétation d'images photographiques ou produites par rayonnements électromagnétiques ou autres phénomènes ».

La photogrammétrie architecturale est, quant à elle, l'application des méthodes
photogrammétriques aux relevés des monuments et aux travaux d'architecture.

De la stéréoscopie à la stéréophotogrammétrie

Le phénomène de la stéréoscopie avait déjà été relevé par Léonard de Vinci (début du 15ème siècle) qui étudiait la vision humaine pour parfaire sa peinture. En 1832, l'anglais Wheastone pense pouvoir créer l'impression de relief à partir de couples de dessins et, en 1844, lors de l'Exposition Internationale de Londres sont présentés les premiers couples de photographies stéréoscopiques, réalisés par l'écossais Brewster (qui inventera en 1849 le stéréoscope à réfraction).
- En 1896, le Canadien Edouard Deville invente le premier restituteur stéréoscopique qu'il baptise alors "Stereo-Planigraph". Il s'agit d'un instrument d'un maniement très complexe, ce qui en limita rapidement l'utilisation.
- En 1898, l'Autriche prend une part importante dans le développement des nouvelles méthodes et saisi tout de suite les possibilités qu'offrent l'examen et le pointé stéréoscopiques (souplesse, gain de précision...). Dolezal relève alors la Karlskirche de Vienne et devient champion de l'exploitation des clichés métriques par stéréophotogrammétrie.

 

Stéréoscope à réfraction

Stéréoscope à réfraction 

 - En 1901, le Dr. Karl Pulfrich invente le premier stéréocomparateur. Il permet de mesurer de façon précise un couple de photos prise dans les conditions normales de stéréophotogrammétrie. Cet appareil est le premier qui fut construit par la firme Zeiss. Pulfrich est depuis ce jour considéré comme le père de la stéréophotogrammétrie.
- Dans le même temps, en Afrique du Sud, un stéréocomparateur analogue est conçu par le Dr. Henry George Fourcade. Ce dernier fut aussi le premier à traiter de l'intérêt des appareils de prise de vue à réseau pour faciliter la restitution stéréoscopique.
- En 1905 l'Autrichien Von Orel invente un appareil de restitution qui permet à partir d'un couple de photographies de mesurer les grandeurs réelles des objets. Cet appareil développé à partir de celui de Pulfrich fut lui aussi commercialisé par Zeiss sous le nom de Stereoautograph.

 

 Stéréocomparateur Pulfrich

 

 Stéréocomparateur Pulfrich

La photogrammétrie et le relevé de l'architecture

La querelle entre Métrophotographie et Stéréophotogrammétrie

Dès le début du 20ème siècle, les partisans des deux méthodes s'opposent :

D'un coté, la Métrophotographie graphique : bases longues, axes fortement convergents, qui détermine par intersections graphiques (nécessitant des constructions délicates), la position dans l'espace de points caractéristiques du monument en nombre forcément limité.
De l'autre, la Stéréophotogrammétrie : bases plus courtes et convergences limitées permettant l'examen stéréoscopique des clichés, qui conduit à un tracé continu et très précis de tous les éléments du monument dans leurs moindres détails.

La première méthode utilisant du matériel simple et peu coûteux ne saurait être appliquée que par un spécialiste des monuments. Elle est donc surtout mise en oeuvre par des architectes.

La seconde méthodes nécessite des appareils beaucoup plus compliqués et onéreux. D'un caractère beaucoup plus technique, elle est principalement prônée par les géodésiens et les photogrammètres.

Cette querelle va durer ainsi jusqu'à la seconde guerre mondiale : le manque de collaboration entre architectes et techniciens de la photogrammétrie explique pourquoi les nouvelles méthodes n'ont pas connu l'essor qu'elles auraient pu espérer. Une conséquence regrettable est l'incompréhension de l'intérêt majeur que présentaient les archives photogrammétriques des monuments. 

Évolution depuis 1919 

Jusqu'en 1934, les deux méthodes exposées plus haut restent en conflit. Les méthodes d'intersection graphique appliquées unanimement jusqu'ici ont encore de grands défenseurs comme Henri Deneux (Architecte en chef des Monuments Historiques Français) qui publie en 1930 un ouvrage intitulé "La Métrophotographie appliquée à l'Architecture". Lors du congrès de Paris en 1934, la discussion est encore âpre entre les partisans des deux méthodes et chacun reste sur ses positions : la Commission Architecture du Congrès présenta malgré tout des résolutions comme celle d'établir les archives photogrammétriques dans tous les pays d'Europe et d'enseigner la photogrammétrie dans les écoles d'architecture. Dès lors, les partisans de Laussedat se perdent peu à peu et seul le Messbildanstalt de Berlin conserva cette méthode jusqu'en 1945. En 1935 un article qui vente les multiples procédés de la stéréophotogrammétrie aussi bien pour l'architecture que pour la sculpture entraîne le développement de ces travaux en Allemagne, Tchécoslovaquie et Suisse. En France, l'IGN effectue en 1943 son premier travail stéréophotogrammétrique d'architecture sur la Sainte Chapelle de Paris : cet essai donne toute garantie sur la qualité et la précision des résultats. Dans le même temps, les Pays-Bas constituent des archives photogrammétriques de ses principaux monuments.

Après 1945, les procédés utilisant des constructions graphiques sont définitivement abandonnés. Quelques années plus tard, les possibilités accrues de la photogrammétrie analytique viennent s'ajouter à celles du redressement et de la stéréorestitution.
À partir de 1960, les évolutions sont essentiellement d'ordre technique (cf. avancées techniques).

But des relevés photogrammétriques pour l'architecture 

- Constituer des archives photogrammétriques : archives de sécurité nécessaires étant donné les menaces de toutes sortes qui pèsent sur le patrimoine de l'humanité. Ces menaces ont amené l'UNESCO à lancer sa campagne internationale de sauvegarde en 1964.
- Réaliser des études historiques sur les techniques de construction, les unités de mesure, la chronologie de l'édification des différents éléments... La plus grande précision et fidélité scrupuleuse dans le tracé sont exigées alors.
- Études et travaux de restauration et de conservation des monuments, mise en valeur et revitalisation de vieux ensembles urbains ou ruraux.

Extension des applications de la photogrammétrie architecturale : étude des projets de construction, étude de forme, déformation des monuments, photo-interprétation architecturale, photosculpture, photogrammétrie des maquettes, photogrammétrie architecturale prospective...

Les avancées techniques

Les avancées techniques, essentiellement liées au domaine militaire, se sont intéressées dans un premier temps à la photogrammétrie aérienne. Toutefois, tous les domaines de la photogrammétrie s'en sont vus changés.

La toute fin du 19ème siècle a vu l'arrivée de la photogrammétrie analogique (cf. stéréoscopie), et il fallut attendre le débuts des années 1940 pour que survienne un second bouleversement : l'arrivée de l'informatique.

Ainsi, en 1953, près de 10 ans après l'invention de l'ordinateur (1941 Zure, et 1943 Aitken), le Dr Hellmut Schmid (laboratoire de recherches balistiques, Aberdeen, Maryland) développe les principes de la photogrammétrie analytique en utilisant une notation matricielle. Son approche inclut la compensation par les moindres carrés, le calcul simultané des solutions pour un nombre quelconque de clichés et une étude complète de la propagation des erreurs.

En 1957, le Finlandais Helava exilé au National Research Council au Canada conçoit le premier restituteur analytique.

Puis, vint l'ère de la photogrammétrie numérique, avec l'émergence de quelques sociétés avec comme illustre exemple Helava Associates qui devint une filiale de General Dynamics (1986) avant de devenir GDE Systems (1992) puis de rejoindre Leica Geosystems en 1997 et former LH Systems.

Si on s'écarte du domaine de la recherche, on pourra admettra que la photogrammétrie analytique s'est réellement répandue vers 1970.

Pour ce qui est de la photogrammétrie numérique, ce n'est qu'au début des années 1980 qu'apparaissaient les premiers systèmes entièrement numériques, mais il fallu attendre 1990 pour trouver dans le commerce des systèmes concurrents.

Bibliographie

Ouvrages et articles : 

- Albertz Jörg, Albrecht Meydenbauer - Pioneer of photogrammetric documentation of the cultural heritage,compte-rendu d'une conférence présentée au Symposium International CIPA 2001
- Carbonnell M., Étude sur la Photogrammétrie appliquée aux monuments historiques, Conseil International des Monuments et Sites
- Drap P., De la photographie d'architecture à un Système d'Information Architectural, conférence présentée à la "Rencontre des doctorants des écoles d'architecture du sud de la France", GAMSAU
- J.-p. Saint-Aubin, Le relevé et la représentation de l'architecture, Éditions du patrimoine

 Pages Internet :

www.ferris.edu/faculty/burtchr/sure340/notes/History.pdf

www.culture.fr/culture/conservation/fr/methodes/mesu_obj.htm 

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