La compréhension de notre environnement nécessite l’étude de phénomènes radiatifs à l’interface surface atmosphère. Ces échanges d’énergie sont analysés à différents niveaux d’échelle suivant la résolution spatiale du capteur. Cette thèse traite du domaine spectral infrarouge (3-14μm) et s’intéresse aux milieux urbains caractérisés par une forte variabilité spatiale. L’objectif est de caractériser les propriétés optiques (réflectance et émissivité) et les températures de surface à partir de mesures directionnelles et spectrales. Pour cela, une première étape a consisté à modéliser le signal en décrivant chacune de ses composantes radiatives. Un modèle de transfert radiatif, TITAN, a donc été développé. Ce modèle permet également de quantifier les effets directionnels de chacune des composantes du signal. Il a été validé par intercomparaison avec d’autres codes de transfert radiatifs. La suite des travaux s’est portée sur l’analyse de l’agrégation lors d’un changement d’échelle spatiale afin de relier les paramètres de surface définis localement aux valeurs équivalentes déduites des mesures capteurs. Une analyse phénoménologique du modèle d’agrégation a été réalisée à l’aide de plans d’expérience afin d’étudier l’influence de chaque facteur d’entrée du modèle sur les paramètres équivalents. Enfin, la dernière étape s’est attachée à inverser le modèle d’agrégation, i.e. à désagréger, dans le but de retrouver les paramètres intrinsèques des surfaces à partir de données hyperspectrales multi-angulaires. Du fait de la non linéarité de nos équations d’agrégation, notre méthode de désagrégation est basée sur la méthode des moindres carrés optimisée par l’algorithme de Gauss-Newton. Une analyse de sensibilité a permis de fixer les contraintes et les conditions d’applications de notre méthode, comme par exemple la nécessité de connaître la répartition des surfaces avec une précision de 1m. Ainsi, les résultats de ces travaux pourront être utilisés dans les études des îlots de chaleur urbains pour une meilleure estimation des températures de surface.