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Les premières traces d'habitat sur le territoire lausannois remonte au mésolithique, avec la présence de foyer d'habitats et de quelques outils. Plusieurs stations lacustres sont connues dans la région et la présence d'une nécropole utilisée entre 4200 et 3300 av. J.-C. ainsi que plusieurs mégalithes à Vidy attestent la présence humaine au néolithique. Des tombes de l'âge du Bronze ont également été retrouvées.

Si un oppidum gaulois a très probablement été aménagé sur la colline de la Cité, c'est à Vidy que les principaux vestiges d'époque celtique sont connus. Quelques traces d'habitats ainsi qu'une petite nécropole sont attestés au 2ème siècle avant notre ère, et des vestiges d'habitations, d'entrepôts militaires ou de fortifications datés du milieu du premier siècle avant notre ère ont été étudiés.

Une agglomération secondaire romaine se développe à Vidy depuis la fin du 1er siècle avant notre ère, d'abord avec des bâtiments construits en terre et bois, puis en maçonnerie. Cette ville, connue sous le nom de Lousonna, est progressivement abandonnée à partir du 3ème siècle et la population se déplace sur la colline de la Cité.

Au 6ème siècle, Lausanne devient le siège de l'évêché régional à la place de l'ancienne capitale de l'Helvétie romaine, Aventicum (Avenches, VD). Au cours du Moyen-Âge, la ville s'agrandit puis se dote d'une muraille en pierre. Au 16ème siècle, lorsque la Réforme devient la religion officielle, le siège de l'évêché est déplacé à Fribourg.

A la route de Chavannes 29, un bloc de pierre de grande taille est abrité par un arbre, près d'un complexe administratif. Aucun panneau explicatif n'est visible sur place, et seul le nom du restaurant du complexe, le Menhir, évoque l'existence d'un mégalithe dans le voisinage.

Le menhir a été retrouvé lors des fouilles de l'institut d'archéologie de l'université de Lausanne en 1985. Il se trouvait couché dans une fosse, avec un autre menhir brisé, à quelques mètres de son emplacement actuel. Il n'est pas possible de dater précisément l'installation des menhirs à cause du manque d'objets retrouvés à proximité, mais il est possible qu'ils soient du néolithique comme les menhirs de Lutry (VD). Un sanctuaire celtique, puis gallo-romain a été aménagé sur le même site, et le temple romain recouvrait partiellement la fosse des menhirs.

Après l'aménagement du centre administratif et de son chemin d'accès, le menhir a été redressé à l'endroit actuel.

Coordonnées nationales: 535'218, 152'559

L'agglomération romaine de Lousonna se développe à Vidy à partir de la fin du 1er siècle avant notre ère. Ce vicus avait comme bâtiments publics un forum avec place centrale, temple et basilique ; plusieurs sanctuaires, un théâtre, un établissement de thermes. L'alimentation en eau était assurée par plusieurs puits ainsi qu'un petit aqueduc.

Les premières fouilles archéologiques sont effectuées au début du 20ème siècle, mais ce n'est qu'à partir des années 1930 que les recherches scientifiques deviennent plus fréquentes. Entre 1960 et 1964, de grandes surfaces sont rapidement fouillées avant la construction de l'autoroute Lausanne-Genève et l'aménagement de l'exposition nationale de 1964. Plusieurs campagnes de fouilles ont eu lieu pendant la deuxième partie du 20ème siècle, et le site a été à plusieurs reprises le chantier-école de l'université de Lausanne (entre 1983 et 1985, depuis 2013).

La promenade archéologique est un but de promenade apprécié par les habitants de la région. Elle a été aménagée dans les années 1970 après le démontage des installations de l'exposition nationale de 1964. Lors de l'installation de cette exposition, un certain nombre de murs romains avaient été protégés, mais d'autres ont été détruits. Les murs conservés ont été restaurés, et des murs en béton ont été construits à l'emplacement de murs détruits. Les vestiges visibles sont ceux du forum avec la basilique et un temple gallo-romain, d'un sanctuaire, de plusieurs habitations et d'installations portuaires.

Entrepôt: en arrivant depuis le parc à voitures, à l'ouest, il y a sur la gauche un entrepôt qui se trouvait au bord du lac. Sur la droite, une petite place bordée de différentes constructions, et au centre, un bâtiment de fonction indéterminée, peut-être publique.

Le lac: à l'époque romaine, le lac avait un niveau plus élevé qu'aujourd'hui, et un étang moderne a été aménagé pour visualiser l'ancienne berge.

Habitation et perré de halage: à l'est de l'entrepôt, une habitation avec une pièce chauffée par hypocauste et plusieurs locaux commerciaux. Un perré de halage est aménagé à côté de cette habitation pour que des bateaux à fond plat puissent y accoster.

Le sanctuaire: à l'ouest du perré de halage, un sanctuaire construit en plusieurs phases. Trois chapelles dédiées à Neptune et à Hercules se trouvent au centre d'une cour.

Rue transversale: au nord du sanctuaire, la principale rue transversale (cardo maximus) de la ville, bordée de chaque côté par un portique, puis des habitations.

Basilique du forum: à l'ouest du sanctuaire, la basilique était un grand bâtiment de 69 mètres de long sur 17 de large, qui fermait le côté sud du forum. La nef est divisée en deux par une série de colonnes reposant sur des piliers carrés. La façade nord est bordée par une série de locaux à vocation commerciale (boutiques, bureaux), dont un devait abriter la corporation des bateliers (nautae) du lac Léman. Un portique à colonnes se trouvait entre les locaux commerciaux et la place du forum. Un quai formé de gros blocs de grès a été aménagé entre le lac et la façade sud de la basilique.

Forum: place principale de Lousonna, le forum était bordé par plusieurs bâtiments de fonction indéterminée à l'est et à l'ouest, et par un temple au nord.

Temple: construit seulement au début du 3ème siècle de notre ère, le temple était de type gallo-romain, avec un local de culte (cella) central et un portique périphérique. La divinité auquel le temple était voué n'est pas connue avec certitude (Jupiter? Mercure Auguste?). Le temple est détruit au 4ème siècle. Par la suite, la cella est recouverte par une couche de mortier, et une structure en bois a peut-être été aménagée par-dessus.

Coordonnées nationales: 535'742, 151'992

Une mosaïque à décor géométrique noir et blanc est visible sous un abri moderne en béton. Cette mosaïque décorait l'une des pièces d'une habitation découverte en 1960. Elle était déjà visible lors de l'expo 64, puis elle a été restaurée au début des années 1970.

Coordonnées nationales: 535'606, 152'154

Le musée a été construit à l'emplacement de la maison la plus luxueuse retrouvée à Vidy. Cette maison a été fouillée dans les années 1930, puis un premier musée est construit pour protéger les fresques murales d'une chambre. Au début des années 1990, l'ancien musée est démoli et le musée actuel est construit puis inauguré en 1993. Une annexe est construite en 2014 pour abriter différentes activités pédagogiques.

Le rez-de-chaussée est réservé à l'accueil et aux expositions temporaires. On peut aussi y voir les peintures murales conservées à leur emplacement d'origine ainsi qu'un puits appartenant à la même maison. Le premier étage abrite l'exposition permanente avec les principaux objets découverts sur le site ainsi que plusieurs maquettes de la ville romaine.

Dans les jardins du musée, plusieurs murs et un puits de la maison romaine sont visibles, ainsi que plusieurs plantes cultivées à l'époque romaine.

Coordonnées nationales: 535'554, 152'302