L'inversion des formes d'ondes (FWI) est une méthode d'imagerie sismique quantitative multiparamètre actuellement en plein essor. La prise en compte de l'ensemble des phénomènes de propagation enregistrés, en particulier des ondes de surface, en font une technique prometteuse pour des applications de la subsurface sur des problématiques géotechniques ou environnementales. Cependant, l'adaptation au contexte de la subsurface d'une méthode sismique validée numériquement ou sur des applications d'imagerie profonde est une tâche difficile. Nous proposons ici une approche par modélisation physique à échelle réduite à l'aide d'un laboratoire de Mesures laser-Ultrasonore Sans Contact (MUSC) mis en place dans le cadre de cette thèse. Les différents éléments du laboratoire ont été caractérisés pour la modélisation sismique à échelle réduite et une attention particulière a été portée à la simulation de la source. Les données acquises ont été validées par confrontation avec des données obtenues par modélisation numérique à l'aide des codes fournis par Géoazur dans le cadre du projet ANR SEISCOPE. Dans un deuxième temps, le potentiel de la FWI pour des applications de la subsurface a été évalué par l'approche conjointe de la modélisation numérique et de la modélisation expérimentale. Nous avons ainsi pu montrer par cette double approche que la FWI permet d'obtenir une information sur la morphologie de cavités souterraines grâce à la prise en compte des ondes de surface. Par ailleurs, sur les différents modèles multicouches étudiés, l'information sur les zones les plus superficielles fournie par les ondes de surface dispersives a pu être exploitée par la FWI.