La comprehension de notre environnement necessite l'etude de phenomenes radiatifs a l'interface surface - atmosphere. Ces echanges d'energie sont analyses a differents niveaux d'echelle suivant la resolution spatiale du capteur. Cette these traite du domaine spectral infrarouge (3-14um) et s'interesse aux milieux urbains. L'objectif est de caracteriser les proprietes optiques et les temperatures de surface a partir de mesures directionnelles et spectrales. Pour cela, une premiere partie detaille la modelisation du signal en decrivant chacune de ses composantes radiatives. La suite des travaux introduit l'analyse de l'agregation lors d'un changement d'echelle spatiale. Enfin, la derniere partie decrit l'inversion du modele d'agregation dans le but de retrouver les parametres intrinseques des surfaces a partir de donnees hyperspectrales multi-angulaires. La methode d'inversion est basee sur la methode des moindres carres optimisee par l'algorithme de Gauss-Newton. Une analyse de sensibilite fixe les contraintes et les conditions d'applications de cette methode. Les resultats de ces travaux sont utilises dans les etudes des ilots de chaleur urbains."