L'utilité de la température de surface Ts, facilement accessible par télédétection aérospatiale ou au champ, pour caractériser l'état hydrique d'un couvert végétal n'est plus à prouver. Cependant, l'interprétation de Ts est limitée à deux niveaux : (i) la télédétection infrarouge thermique (IRT) ne permet pas de mesurer la température de la végétation indépendamment de celle du sol. Le degré d'interférence du sol dans le signal est fonction de la structure du couvert et de la configuration angulaire soleil/capteur; (ii) la traduction théorique de Ts en termes de transpiration des plantes repose sur des échanges complexes de chaleur au sein du système sol - végétation - atmosphère, encore mal pris en compte dans la plupart des approches de modélisation de Ts. L'objectif du présent travail est d'améliorer l'interprétation de la température de surface (Ts) en tant qu'indicateur de l'état hydrique d'une culture. Pour cela, l'impact de la variabilité des températures du sol et de la végétation sur la mesure directionnelle de Ts est analysé dans le cas d'une culture en rang de cotonnier, selon deux approches : une expérimentation in situ à Montpellier (France) et un modèle 3D du bilan d'énergie du couvert, Thermo, permettant d'explorer virtuellement de larges gammes de conditions de mesures (en termes de structure du couvert et de configurations angulaires soleil/capteur). Ce modèle présente l'originalité de calculer les températures de chaque organe de plantes (notamment les feuilles) et de cellules de sol. Les résultats expérimentaux et les simulations par le modèle validé démontrent l'impact déterminant de la fraction de sol au soleil (Fs), vue par le capteur selon la structure du couvert et l'heure de la journée, sur la mesure directionnelle de Ts. Les limites et potentialités de deux indices de stress hydrique basés sur la mesure de Ts sont alors testés expérimentalement et par les simulations, montrant leur incapacité à s'affranchir des effets de Fs. L'un d'eux, le