Cette thèse propose une méthode de caractérisation morphologique multibande des galaxies. Ces dernières ont commencé à évoluer et à interagir très tôt dans l'histoire de l'Univers: leurs formes dans les différentes parties du spectre électromagnétique représentent donc un traceur important de cette histoire. Ce travail propose une organisation hiérarchique de modèles, allant de la description des structures dominantes (bulbe et disque) aux composantes les plus fines (bras spiraux, anneaux, ...). Elle permet d'aboutir à une description des galaxies de haut niveau sémantique, chaque modèle réalisant une décomposition multibande de l'image en composantes astrophysiques interprétables par les astronomes. Les modélisations proposées innovent par l'intégration d'un filtre adaptatif appliqué sur les observations, dont les paramètres sont estimés conjointement avec ceux des composantes de la galaxie. L'estimation des paramètres des modèles est effectuée dans un contexte bayésien et résolue à l'aide d'algorithmes d'optimisation stochastique (algorithmes de Monte Carlo par chaines de Markov). La rapidité des algorithmes est améliorée grâce à des techniques d'échelles et de directions adaptatives, ainsi qu'à une version multi-températures du recuit simulé. En outre, les développements concernant la théorie des arbres de composantes connexes permettent la mise au point d'algorithmes non paramétriques multibandes, efficaces et robustes pour la réalisation des pré-traitements nécessaires à la mise en oeuvre de la décomposition en structures. Cela a notamment abouti à des avancées dans la théorie des hyperconnexions et des représentations sous forme d'arbres de composantes hyperconnexes. Les performances des méthodes proposées ont été évaluées sur un ensemble conséquent d'environ 1 500 galaxies et discutées avec les astronomes: elles montrent clairement la pertinence et la robustesse de la méthode. Ces résultats ouvrent la voie à de nouvelles classifications prenant en compte la signature multibande des galaxies spatialement résolues.