太阳辐射穿过大气层到达地面后，与地物主要发生三种基本的物理过程：反射、吸收和透射。不同物质对太阳辐射的反射、吸收和透射的比例各不相同，主要因为：①每个地物的性质与状态不同，比如地物的组成成分、几何特征、光照角度等因素不同，可以利用其差异来识别不同的地物；②每个地物和波长有较为紧密的联系，比如两种相似的物质在某个波谱范围内不易识别，但其在另外的波谱范围内可以得到准确的识别。
2.1.1 地物的反射波谱
当电磁波到达两种不同介质的分界面时，入射能量的一部分或全部返回原介质的现象称为反射。反射特征可以通过测定反射率（即反射能量占入射能量的比例）进行定量化。物体反射率随波长变化的曲线称为反射光谱，反映了地物的波谱特征。任何物体的反射光谱都包含着目标的本质信息，遥感工作的重点首先是要研究地物的反射光谱特性。
物体对于电磁波的反射通常分为镜面反射、漫反射和方向反射。对任何物体而言，其反射特性主要取决于表面的粗糙度。表面粗糙度的度量是相对于入射波长来说，波长越长，物体的表面就相对越光滑，产生镜面反射的概率就越高，但是自然界中的镜面反射并不常见。
（1）镜面反射（Specular reflection）
镜面反射满足反射定律，即入射波和反射波在同一平面内，且入射角和反射角大小均相等的反射。镜面反射分量会发生极化（偏振），当物体表面相对于入射波长是光滑的，就会出现镜面反射。
（2）漫反射（Diffuse reflection）
漫反射是指入射波在物体表面所有方向上的均匀反射，即入射能量以入射点为中心，在整个半球空间内向周围进行各向同性反射能量的现象，又称为朗伯（Lambert）反射或者各向同性反射。漫反射的相位跟振幅的变化无规律，且无极化（偏振）。
一个完全的漫反射体称为朗伯体，其电磁波的反射服从朗伯余弦定律：
I（θ）＝ I0cosθ （2.1）
式中：θ为观测方向与法线方向的夹角；I（θ）为θ方向的辐射强度；I0 为法线方向的辐射强度。
（3）方向反射（Directional reflection）
方向反射是介于镜面反射和朗伯体反射之间的一种反射。方向反射的能量呈现一定的方向性，即在某个方向的反射能量大于其他方向。自然界中绝大多数地物都属于这种类型的反射，又称为非朗伯体反射。
反射波谱是反应某物体的反射率（或反射辐射能）随波长变化的规律，以波长为横坐标，反射率为纵坐标所测得的曲线即为该物体的反射波谱特征曲线。对于每个物体，由于其结构和组成成分的不同，其反射光谱特征有所差异，即每个物体的反射特征曲线是不一样的。即使某两个相似物体的反射特征曲线在某个波段内近似或者一样，但其在其余波段还是会有显著差别。地物在不同波段的反射率不同，这使人们很容易想到利用多波段对地物进行探测。也正因为这一特征，物体的反射特征曲线才作为物体判别和分类的理论基础，广泛应用于遥感影像的分析和评价中。
2.1.2 矿物吸收光谱的过程
矿物是自然界存在的无机物，是由阳离子和阴离子组成的化合物。某些离子可能以主要成分、次要成分或者微量成分存在。电磁波与岩矿表面发生作用时，除了形成反射光谱外，在某些波长上还形成光谱吸收或者发生透射等现象。但是在不同波长上无论是形成反射、吸收还是透射，其产生的原因是各不相同的。由于光具有粒子性，当太阳光或者是能量相当的光波辐射照射在岩石和矿物表面时，入射波能量会与岩矿物质中的原子、分子发生相互作用，某些在可见光-近红外波段范围内具有选择作用的原子、分子中的电子获得能量后发生能级跃迁，形成特征谱带；某些在短波红外波段范围内具有选择作用的原子、分子中的电荷耦合极性发生变化，导致原子、分子产生振动形成特征谱带。
总的来说，岩矿的反射辐射光谱特征是在外来电磁波能量的辐射照射下，岩矿表面与电磁波之间发生相互作用，引起内部电子跃迁或分子振动的过程。
2.1.3 其他物质的光谱
（1）水体的反射波谱特性
水体的反射主要集中在蓝绿光波段，其他波段的吸收率很强，特别是在近红外、中红外波段有很强的吸收带，水体反射率几乎为零。在遥感应用中，通常选取近红外波段确定水体的位置和轮廓。在此波段的黑白正片上，水体的色调很黑，与周围的植被和土壤有明显的反差，很容易识别和判读。
（2）土壤的反射波谱特性
土壤的光谱特性曲线与土壤类别、水含量、有机质含量、砂和土壤表面的粗糙度、粉砂的相对百分比含量等因素有关。此外，肥力因素对反射率也有一定的影响。土壤反射波谱的特性曲线较为平滑，在不同光谱段的遥感影像上，土壤的亮度区分并不明显。
（3）植物的反射波谱特性
各类绿色植物具有较为相似的反射波谱特性：
1）在可见光波段0.55μm（绿光）附近有反射率为10%～20% 的一个波峰，两侧0.45μm（蓝光）和0.67μm（红光）则有两个吸收带。这一特征是由于叶绿素分布造成的，叶绿素对蓝光和红光的吸收作用较强，而对绿光的反射作用较强。
2）在近红外波段（0.8～1.0μm）有一个反射的陡坡，在1.1μm附近有一个峰值，形成植被反射波谱的独有特征。这是受到植被叶细胞结构的影响，除了吸收和透射，其余部分形成高的反射率。
3）在短波红外波段（1.3～2.5μm），由于受到绿色植物水含量的影响，吸收率增大，反射率大幅下降，特别是以1.45μm，1.95μm和2.70μm为中心的水的吸收带，形成低谷。