L'émission et la propagation de la lumière dans les paysages terrestres (i.e. le Transfert Radiatif (TR)) conditionne leur fonctionnement et leur observation par télédétection satellite (radiomètres, Lidar). Les signaux mesurés dépendent de multiples facteurs, à la fois et. La modélisation du TR est potentiellement l'outil idéal pour relier les mesures de télédétection à certaines caractéristiques biophysiques (occupation du sol, biomasse, etc.) des paysages observés, afin d'étudier les surfaces terrestres à partir de mesures satellites, mais aussi pour la préparation des futures missions spatiales dédiées à l'observation de la Terre. Cette thèse présente le modèle Discrete Anisotropic Radiative Transfer (DART) et les améliorations récentes apportées. Ce modèle simule la propagation du rayonnement dans le système "Terre - Atmosphère" à partir de la méthode de suivi de flux ou de la méthode de suivi de photons selon un nombre fini de directions discrètes dans un paysage 3D. Les améliorations que j'ai apportées au modèle DART sont de différents types : j'ai fortement amélioré la modélisation du TR dans l'atmosphère, j'ai introduit la modélisation Lidar à partir d'une modélisation Monte-Carlo pré-existante et j'ai introduit une approche pour modéliser les couverts végétaux avec différents degrés de réalisme. En plus de ces travaux théoriques, j'ai aussi fortement contribué à l'amélioration du code, avec en particulier le passage de code en C++. Finalement, DART est devenu un modèle plus performant et donc plus efficace pour l'étude des surfaces terrestres par télédétection.

La réalisation de nouveaux instruments de télédétection à très haute résolution spatiale offre la possibilité d'étudier plus précisément les villes. Pour ces études, la connaissance de l'atmosphère et plus particulièrement des aérosols peut s'avérer essentielle. Le but de cette thèse est donc de développer une méthode de caractérisation des aérosols adaptée aux images de télédétection des milieux urbains à l'échelle métrique dans les domaines visible et proche-infrarouge. Dans un premier temps, les propriétés optiques de ces particules ont été étudiées en utilisant les données fournies par 68 stations urbaines du réseau AERONET. Ensuite, afin de pouvoir évaluer l'impact des aérosols présents dans les villes sur le signal, un code de transfert radiatif 3D a été réalisé : AMARTIS v2. L'utilisation de cet outil pour une scène urbaine typique a permis de quantifier l'impact des particules sur le signal, à l'ombre et au soleil, en fonction de leurs propriétés optiques. Enfin, une méthode de télédétection des aérosols a été définie, basée sur l'observation de transitions ombre/soleil. Afin de mettre en oeuvre cette méthode, un code d'inversion a été développé : OSIS. Une étude de sensibilité d'OSIS a alors été menée à partir d'images synthétiques générées avec AMARTIS v2 et une utilisation expérimentale a été effectuée sur des acquisitions PELICAN obtenues lors de la campagne aéroportée MUSARDE sur la ville de Toulouse. Ces études ont notamment permis de quantifier la précision intrinsèque d'OSIS, comparable aux précisions obtenues avec les produits satellitaires pour l'inversion des épaisseurs optiques, et de montrer que cette procédure est applicable à tout instrument à très haute résolution spatiale, multispectral ou hyperspectral, aéroporté ou satellitaire.

La prise en compte des nuages est essentielle dans l'étude du climat, en particulier leur rôle radiatif. A cause de ses aspects non-linéaire et multiéchelle, une des difficultées du transfert radiatif tient à la prise en compte des hétérogénéitées spatiales des propriétées microphysiques (variabilité horizontale, hétérogénéitée géométrique, ...), tant d'un point de vue théorique que numérique. Afin de répondre à cette problématique, nous utilisons ici l'analyse multirésolution de type ondelette dans une méthode de Galerkin appliquée à l'Equation du Transfert Radiatif. Cette méthode permet de formaliser le problème du transfert radiatif en milieu hétérogène en distinguant les processus élémentaires d'interaction entre le champ de rayonnement et le milieu nuageux, décrits par des coefficients de connexion. Cette réécriture a conduit à la mise au point d'un code de calcul, conçu comme un "modèle instrument", un outil d'analyse des problèmes d'échelle en transfert radiatif. Les résultats ont été validés par rapport aux codes Monte Carlo et SHDOM. Des premières simulations ont montré l'intérêt de cette approche pour quantifier les sources radiatives additionnelles à l'échelle de pixels dits d'approximation dues aux couplages locaux entre les echelles, et étudier les effets radiatifs 3D. Cette nouvelle approche ouvre des possibilités d'application aux études en cours sur les limitations des codes de calcul existants et des techniques d'inversion de mesures satellites, et peut amener à la définition de paramétrisation multichelle des hétérogénéités nuageuses.