Ce mémoire représente une synthèse de 25 ans de recherche dans le domaine du traitement de signal électromagnétique appliqué à des questions agronomiques. Ces travaux ont été consacrés à la caractérisation des cultures et de leur environnement biophysique, de l'échelle du site de mesure à l'échelle du paysage. C'est ainsi que sont développés dans un premier temps des méthodologies d'estimation des variables et paramètres clés du sol dans la croissance de la plante : teneur en eau, conductivité hydraulique. Ces méthodologies font appel à des principes physiques telles que la réflectométrie dans le domaine temporel ou l'infiltrométrie, et produisent des mesures très localisées. Le réétalonnage (ou inversion) de modèle de croissance de culture est également exploré pour estimer des paramètres du système sol-plante dans des sites, ou pour des variétés, non renseignés. Nous avons ainsi estimé la réserve utile des parcelles à partir de mesures du couvert végétal en rouge et proche infrarouge, et l'efficience de conversion du rayonnement lumineux de la plante à partir de mesures de température du couvert par infrarouge thermique. La télédétection satellitaire optique et radar est introduite à la fois comme un outil pour multiplier les mesures et comme un moyen de changement d'échelle. Des méthodologies d'estimation de la biomasse de canne à sucre sont développés ou adaptées au contexte tropical (agriculture familiale cultivant des parcelles de petite taille, couverts hétérogènes, ennuagement). Elles ont permis de caractériser, diagnostiquer l'état de croissance des cultures et prévoir le rendement. Le couplage des bases de données ainsi constituées avec des modèles de cultures ouvre la voie au changement d'échelle des simulations de ces derniers. Sont ainsi présentées des techniques d'assimilation de données dans un modèle de croissance de la canne à sucre permettant de simuler la croissance de la culture sur des parcelles en conditions réelles (non contrôlées) et sur l'en