La thèse est consacrée à une approche variationnelle unifiée pour des applications diverses, telles que l'identification de paramètres, la contrôle optimal et l'assimilation de données, pour la modélisation de l'architecture et du fonctionnement des plantes. La formulation mathématique du modèle fonction-structure de plantes GreenLab est réalisé par l'introduction d'une formule empirique sur des facteurs environnementaux pour modèliser la photosynthèse. Un sous-modèle d'équilibre de l'eau dans le sol a été ajouté dans GreenLab pour le système dynamique de sol-plantes. La formulation dynamique permet d'obtenir des solutions numériques efficaces pour les systèmes variationnels en utilisant le modèle d'adjoint correspondant. Les algorithmes de différentiation sont utilisées pour différentier le code GreenLab d'une manière systématique afin d'obtenir le code d'adjoint. L'approche variationnelle est utilisée pour résoudre un problème de d'approvisionnement optimal d'eau pour le tournesol et pour une meilleure production de fruits. Le concept de l'assimilation de données est utilisé pour diminuer les incertitudes sur la condition initiale et les paramètres externes de modèles. Les resultats sur les problèmes étudiés montrent que les concepts d'assimilation de données et de contrôle optimal sont utilisables en agronomie.

Pour tenir compte de la forte variabilité des arbres dans les peuplements hétérogènes, les dendrométriciens ont cherché à modéliser l'évolution de chaque individu arbre en fonction de ses caractéristiques propres et de son environnement local. Ces Modèles Individu-Centré semblent plus pertinents pour simuler des peuplements complexes. Cependant, ces MIC nécessitent pour lancer une simulation un état initial avec les caractéristiques de chacun des arbres, et leur position dans le peuplement dont on veut simuler l'évolution. Ces données sont rares, et leur acquisition ne peut en pratique être envisagée que pour quelques placettes expérimentales. Il est alors possible d'utiliser un peuplement virtuel comme état initial pour un MIC. Il apparaît important que le peuplement virtuel simulé soit réaliste, c'est-à-dire qu'il reproduise les caractéristiques du peuplement réel qu'il représente, particulièrement ses caractéristiques spatiales. L'objectif de cette thèse est de construire des modèles de structure spatiale, permettant de simuler des peuplements virtuels réalistes. Ce travail est appliqué aux peuplements mélangés chêne sessile - pin sylvestre de la région Centre. Nous avons dans un premier temps construit une typologie de peuplements chêne - pin. Cette typologie est basée sur la structure spatiale des arbres, et met en évidence 5 types de structure spatiale pour les arbres de la canopée et 3 types pour le sous-étage. Nous avons ensuite construit des modèles de structure permettant de reproduire les structures spatiales identifiées. Nous avons couplé la typologie à des outils statistiques de simulation de peuplements virtuels, les processus ponctuels.