Documentation du patrimoine de l'assemblage de fossiles du site de Kromdraai contenant des hominines (Afrique du Sud) : techniques de numérisation 3D, analyse spatiale quantitative et estimation de volume

Cette thèse explore l'utilisation de données multi-échelles pour modéliser une représentation tridimensionnelle (3D) et générer un registre numérique complet d'un assemblage de fossiles contenant des hominines à partir de l'unité lithostratigraphique P à Kromdraai situé dans le " berceau de l'humanité " classé au patrimoine mondial par l'UNESCO (Province de Gauteng, Afrique du Sud). Les objectifs principaux de cette recherche sont d'illustrer en 3D la progression temporelle et spatiale des fouilles de Kromdraai sur la période 2014-2018, d'analyse la distribution spatiale des vestiges d'homininés et de faune, comme des outils, et finalement, de fournir une documentation sur le patrimoine archéologique de Kromdraai. Nous avons réalisé une analyse multi-scalaire du site, avec l'application de méthodes de photogrammétrie terrestre et aérienne. Conformément aux principes et directives de la gestion du patrimoine archéologique mandatés par les agences internationales telles que l'UNESCO, nous présentons également un protocole de documentation du patrimoine. Nous avons utilisé des technologies de capture de données 3D pour numériser le site de Kromdraai et ses éléments archéologiques découverts entre 2014 et 2018 lors des fouilles. Cette recherche présente une technique originale développée pour la visualisation et la quantification des sédiments volumiques prélevés sur le site à chaque période de fouille par chaque fouilleur. Les estimations de volume calculées à l'aide de la photogrammétrie 3D fournissent un contexte temporel et spatial des sédiments prélevés lors des fouilles successives, et permettent un repositionnement virtuel et plus précis des vestiges découverts ex situ. De plus, nous avons mis en place une modélisation des métadonnées pour démontrer l'utilisation d'un système de gestion de base de données 4D pour la fusion, l'organisation et la diffusion de l'ensemble des données du site de Kromdraai et le partage de la propriété intellectuelle. Nous introduisons également l'une des premières approches statistiques de la modélisation spatiale 3D dans un site Plio-Pléistocène porteurs d'hominines en en Afrique du Sud. En mettant en œuvre des méthodes classiques de tests statistiques telles le partitionnement de données spatiales 3D, nous avons étudié les modèles de l'assemblage de fossiles dans l'unité P, ainsi qu'un échantillon de 810 spécimens catalogués entre 2014 et 2018. Le regroupement de bovidés, de carnivores, d'homininés et de primates non humains a révélé un modèle de distribution spatiale non uniforme des fossiles in situ. Cette recherche présente des méthodes précieuses qui peuvent être appliquées à d'autres sites fossiles contenant des hominines dans le berceau de l'humanité. Ces méthodes peuvent être appliquées pour documenter une fouille archéologique et reconstruire un site en 3D, ainsi que pour documenter des informations patrimoniales. Nos résultats permettent d'améliorer l'interprétation des assemblages fossiles à l'aide d'analyses basées sur des modèles 3D au sein d'un assemblage contenant des hominines.This thesis uses multi-scalar data to create a three-dimensional (3D) representation and, to generate a complete digital record of the early hominin-bearing fossil assemblage from the lithostratigraphic Unit P at Kromdraai in the Cradle of Humankind World Heritage Site (Gauteng Province, South Africa). The main purposes of this research were to illustrate in 3D the temporal and spatial progression of the excavations at Kromdraai since 2014, to investigate the spatial distribution of the hominin, faunal assemblages and artefacts, and ultimately, to provide an archive documenting the archaeological heritage of Kromdraai. We provided a multi-scalar analysis of various aspects of the study site, with the application of methods such as multi-image land and aerial photogrammetry. In alignment with the principles and guidelines for the management of archaeological heritage mandated by international agencies such as UNESCO, we also present a protocol for heritage documentation. We used 3D data capture technologies to record the Kromdraai site and the archaeological evidence discovered between 2014 and 2018 from its main excavation. This research presents an original technique developed for the quantification and visualization of the volume sediments removed from the site during each excavation period. Volume estimations computed using 3D photogrammetry and digitization, provided a temporal and spatial context to the volume and location of material removed by each excavator and, a more precise and virtual repositioning of the fossil material discovered ex situ. Furthermore, we implemented metadata modelling to demonstrate the use of 4D relational database management systems for the fusion, organisation and dissemination of the Kromdraai site dataset and the sharing of intellectual property. We also introduce one of the first statistical approaches of 3D spatial patterning in Plio-Pleistocene early hominin-bearing assemblages in South Africa. Implementing classic statistical testing methods such as k-means and Density-Based Spatial Clustering and Application with Noise (DBSCAN) cluster computation in 3D, we investigated the spatial patterns of the fossil assemblage within Unit P, a sample of 810 individually catalogued specimens recovered between 2014 and 2018. The clustering of bovids, carnivores, hominins, and non-human primates revealed a non-uniform spatial distribution pattern of fossils in-situ. This research presents valuable methods that can be applied at other hominin-bearing fossil sites within the Cradle of Humankind to document an archaeological excavation and to reconstruct of the site in 3D, to document heritage information, and to enhance the interpretation of the fossil assemblages using evidence-based assessment of spatial patterns within a hominin-bearing assemblage

A palaeoreconstruction of late holocene fire history and vegetation dynamics from a savanna ecosystem at Mapungubwe National Park, Limpopo Valley, South Africa.

Master of Science in Geography. University of KwaZulu-Natal, Pietermaritzburg 2016.Palaeoenvironmental studies facilitate the understanding of palaeoclimatic trends that have been difficult to understand within the African context. Multi-proxy climatic reconstructions are spatially and temporally limited in southern Africa due to the shortage of continuous, chronological and high-resolution sequences and the scarcity of suitable terrestrial archives such as wetlands, peatlands and lakes; alternative archives such as swamps, isolated pans and springs have been used in savanna ecosystems. Due to the ecological importance of savannas, there is a need to understand long-term ecosystem processes in these environments, particularly in southern African savannas where there is a lack of records representing the late Holocene, Mapungubwe National Park (MNP) located in the lower Limpopo Valley represents one such site. Situated within the savanna biome and characterised by Colophospermum mopane Bushveld; the UNESCO World Heritage Site (inscribed in 2003) is of biodiversity, cultural and archaeological signsificance. A palaeoreconstruction of MNP was conducted using a multi-proxy fossil based approach. Pollen, charcoal analysis and radiocarbon dating were applied to determine past vegetation change and fire history. Two sites were analysed to infer palaeoenvironmental dynamics at MNP, Croc Pan (CP) and Leokwe Rock Pool (LRP). The AMS radiocarbon dating indicated that the sediments represented young sediments falling within the very late Holocene epoch, with the CP and LRP sequences dating back to ca.1700 cal. AD and ca. 1900 cal. AD, respectively. However; chronological uncertainties were acknowledged due to the limitations of dating young records. Analyses show that the ca. 1700-1865 cal. AD period in the MNP record was broadly contemporaneous with the Little Ice Age (LIA; ca. 1500-1800 AD); declines in arid woodland savanna taxa and Cyperaceae indicated cool, dry conditions; approaching ca. 1800 cal. AD warm wet conditions persisted. The charcoal signal indicated a high frequency of regional fire activity. Between ca. 1865-1945 cal. AD, the charcoal record continued to reflect a regional fire signal; declines in aquatics, riparian and warm savanna taxa at the beginning of this period implied reduced moisture availability however, peaks in Cyperaceae suggested incidents of increased local moisture and changes in local hydrological conditions. The reduction in Cyperaceae and pteridophytes between ca. 1945-1960 cal. AD reflected drying conditions whilst reduced microscopic and macroscopic charcoal suggested inconsistent local and regional fire activity. Between ca. 1960-1985 cal. AD, a transition from warm, dry conditions indicated by increases in Euphorbiaceae undiff. and warm savanna woodland elements to warm, wetter local conditions marked by sharp peak in Cyperaceae was observed. The influx of macroscopic charcoal during this period is suggestive of more frequent local fire activity. Evidence of warm woodland vegetation such as Combretaceae undiff., Capparaceae undiff. and Fabaceae undiff. accompanied by the inconsistent occurrence of Cyperaceae allude to warm temperature and variable moisture conditions from 1985 to present. The regular increase of macroscopic charcoal is suggestive of an increased frequency of local fires, coincidently, this period of the record overlaps with the known fire regime for MNP. The increase in macroscopic charcoal towards the end of the Mapungubwe record can also be associated with human activity. The pollen records for MNP reflects that the region has generally been characterised by warmer temperatures and drier conditions during the late Holocene; the vegetation dynamics of MNP have not been directly influenced by fire activity as the record generally indicates regional fire activity. These results show similar trends to other savanna ecosystems in the Limpopo Valley, excluding sites with grassland traits. Pollen and charcoal signals from the MNP records have improved the understanding of tree-grass coexistence and the impact of fire on the dynamics of the savanna ecosystem in the Limpopo Valley. This record has therefore contributed to a greater understanding of late Holocene vegetation change and the fire history of the greater Limpopo Valley

Heritage documentation from hominin-bearing fossil assemblage Kromdraai (South Africa) : techniques for 3D digitization, quantitative spatial patterning and volume estimation

Cette thèse explore l'utilisation de données multi-échelles pour modéliser une représentation tridimensionnelle (3D) et générer un registre numérique complet d'un assemblage de fossiles contenant des hominines à partir de l'unité lithostratigraphique P à Kromdraai situé dans le " berceau de l'humanité " classé au patrimoine mondial par l'UNESCO (Province de Gauteng, Afrique du Sud). Les objectifs principaux de cette recherche sont d'illustrer en 3D la progression temporelle et spatiale des fouilles de Kromdraai sur la période 2014-2018, d'analyse la distribution spatiale des vestiges d'homininés et de faune, comme des outils, et finalement, de fournir une documentation sur le patrimoine archéologique de Kromdraai. Nous avons réalisé une analyse multi-scalaire du site, avec l'application de méthodes de photogrammétrie terrestre et aérienne. Conformément aux principes et directives de la gestion du patrimoine archéologique mandatés par les agences internationales telles que l'UNESCO, nous présentons également un protocole de documentation du patrimoine. Nous avons utilisé des technologies de capture de données 3D pour numériser le site de Kromdraai et ses éléments archéologiques découverts entre 2014 et 2018 lors des fouilles. Cette recherche présente une technique originale développée pour la visualisation et la quantification des sédiments volumiques prélevés sur le site à chaque période de fouille par chaque fouilleur. Les estimations de volume calculées à l'aide de la photogrammétrie 3D fournissent un contexte temporel et spatial des sédiments prélevés lors des fouilles successives, et permettent un repositionnement virtuel et plus précis des vestiges découverts ex situ. De plus, nous avons mis en place une modélisation des métadonnées pour démontrer l'utilisation d'un système de gestion de base de données 4D pour la fusion, l'organisation et la diffusion de l'ensemble des données du site de Kromdraai et le partage de la propriété intellectuelle. Nous introduisons également l'une des premières approches statistiques de la modélisation spatiale 3D dans un site Plio-Pléistocène porteurs d'hominines en en Afrique du Sud. En mettant en œuvre des méthodes classiques de tests statistiques telles le partitionnement de données spatiales 3D, nous avons étudié les modèles de l'assemblage de fossiles dans l'unité P, ainsi qu'un échantillon de 810 spécimens catalogués entre 2014 et 2018. Le regroupement de bovidés, de carnivores, d'homininés et de primates non humains a révélé un modèle de distribution spatiale non uniforme des fossiles in situ. Cette recherche présente des méthodes précieuses qui peuvent être appliquées à d'autres sites fossiles contenant des hominines dans le berceau de l'humanité. Ces méthodes peuvent être appliquées pour documenter une fouille archéologique et reconstruire un site en 3D, ainsi que pour documenter des informations patrimoniales. Nos résultats permettent d'améliorer l'interprétation des assemblages fossiles à l'aide d'analyses basées sur des modèles 3D au sein d'un assemblage contenant des hominines.This thesis uses multi-scalar data to create a three-dimensional (3D) representation and, to generate a complete digital record of the early hominin-bearing fossil assemblage from the lithostratigraphic Unit P at Kromdraai in the Cradle of Humankind World Heritage Site (Gauteng Province, South Africa). The main purposes of this research were to illustrate in 3D the temporal and spatial progression of the excavations at Kromdraai since 2014, to investigate the spatial distribution of the hominin, faunal assemblages and artefacts, and ultimately, to provide an archive documenting the archaeological heritage of Kromdraai. We provided a multi-scalar analysis of various aspects of the study site, with the application of methods such as multi-image land and aerial photogrammetry. In alignment with the principles and guidelines for the management of archaeological heritage mandated by international agencies such as UNESCO, we also present a protocol for heritage documentation. We used 3D data capture technologies to record the Kromdraai site and the archaeological evidence discovered between 2014 and 2018 from its main excavation. This research presents an original technique developed for the quantification and visualization of the volume sediments removed from the site during each excavation period. Volume estimations computed using 3D photogrammetry and digitization, provided a temporal and spatial context to the volume and location of material removed by each excavator and, a more precise and virtual repositioning of the fossil material discovered ex situ. Furthermore, we implemented metadata modelling to demonstrate the use of 4D relational database management systems for the fusion, organisation and dissemination of the Kromdraai site dataset and the sharing of intellectual property. We also introduce one of the first statistical approaches of 3D spatial patterning in Plio-Pleistocene early hominin-bearing assemblages in South Africa. Implementing classic statistical testing methods such as k-means and Density-Based Spatial Clustering and Application with Noise (DBSCAN) cluster computation in 3D, we investigated the spatial patterns of the fossil assemblage within Unit P, a sample of 810 individually catalogued specimens recovered between 2014 and 2018. The clustering of bovids, carnivores, hominins, and non-human primates revealed a non-uniform spatial distribution pattern of fossils in-situ. This research presents valuable methods that can be applied at other hominin-bearing fossil sites within the Cradle of Humankind to document an archaeological excavation and to reconstruct of the site in 3D, to document heritage information, and to enhance the interpretation of the fossil assemblages using evidence-based assessment of spatial patterns within a hominin-bearing assemblage