Amint az elektromágneses energia kapcsolatba kerül a földfelszín egy adott alakzatával, négy alapvető energia-kölcsönhatás lehetséges (1.7. ábra). Példaként nézzük azt az esetet, amikor a sugárzással kölcsönhatásba lépő elem egy nagyobb víztömeg. A beérkező energia egy része elvezetődik, visszaverődik, szóródik és/vagy elnyelődik (abszorpció).
Az energiamegmaradás elvét alkalmazva igaz a következő egyenlet
ahol
E I = a beérkező energiamennyiség,
E R = a reflektált (visszavert) energia,
E A = az abszorbeált (elnyelt) energia,
E T = a továbbított energia.
Mindegyik energiaösszetevő a hullámhossz (λ) függvénye.
A különböző tárgyak által visszavert, elnyelt és továbbított energia aránya eltérő. Az elnyelt, a visszavert és a továbbított energia mennyisége függ az anyag típusától, állapotától. Egy földfelszíni forma a különböző hullámhossz-tartományokban másképpen reflektálhatja, nyelheti el, vagy továbbíthatja az energiát. Két különböző tárgy viszont hasonlóan reflektálhat egy vagy több spektrális tartományban, míg különböző mértékben más sávokban. A tárgyakról visszavert, a látható fény tartományába eső elektromágneses sugárzást a tárgyak színeként érzékeljük. Egy tárgy akkor kék színű, ha döntően a spektrum kék sávját veri vissza, zöld színű, ha a spektrum zöld sávját veri vissza, stb. Vagyis a szem a spektrális energia visszaverődésekor fellépő energiaváltozásokat használja fel a tárgyak megkülönböztetésére.
Miután a legtöbb távérzékelési rendszer a reflektált energiáját méri, alapvető fontosságú a földfelszín visszaverő képességének a vizsgálata. Ezért gyakran használjuk az 1.7 egyenlet átalakított
formáját. Eszerint a visszavert energia mennyisége egyenlő a beérkező energia és az elnyelt, valamint a továbbított energia összegének különbségével.
Figyelembe kell venni, hogy egy tárgy geometriai értelemben hogyan veri vissza az elektromágneses sugárzást. Ez elsősorban a tárgy felszínének egyenetlenségétől/simaságától függ. A tökéletes elméleti visszaverő az a sík felszín, mely tükörszerűen ver vissza és a visszaverődés szöge egyenlő a besugárzás szögével. A diffúz (Lambert-féle) visszaverő olyan durva felszín, amely minden irányban egyenletesen ver vissza. A földfelszín tárgyai sem tökéletes, sem diffúz visszaverők, ilyen tulajdonságuk valahol a két szélsőség között helyezkedik el, ezek alapján megkülönböztetünk tökéletes, közel-tökéletes, közel-diffúz és diffúz visszaverőket (1.8. ábra).
Az, hogy egy felszín milyen visszaverőnek minősül, attól függ, hogy milyen a felszín érdessége és mekkora a beérkező energia hullámhossza. A relatíve hosszú hullámhosszú rádióhullámok esetében egy kőzetfelszín sima felszínnek, vagyis tökéletes, közel-tökéletes visszaverőnek minősül, míg ha a látható fény egy sima homokfelszínre ér, ott az közel-diffúz módon verődik vissza. Röviden, ha a beérkező energia hullámhossza sokkal kisebb, mint a felszín magasságkülönbség változása vagy a felszínt felépítő részecske mérete, akkor a felszín diffúz visszaverő lesz.
Diffúz visszaverődéskor a visszaverő felszín színe hordozza a spektrális információt, míg tökéletes visszaverődéskor nem. Ezért a távérzékelésben a földfelszín diffúz visszaverődési tulajdonsága alapvető fontosságú.
A földfelszín visszaverő tulajdonságát mennyiségileg is meg lehet határozni a beérkező és a visszavert energia nagyságának arányával. Ezt az arányt, mely függ a hullámhossztól, spektrális visszaverődésnek, reflektanciának nevezzük, jele pλ. Matematikai definíciója:
ahol pλ százalékban kifejezett.
Ha különböző hullámhosszakon megmérjük a vizsgált tárgy által visszavert energiákat és a reflektancia értékeket egy grafikonon ábrázoljuk (vízszintes tengelyen a hullámhossz (µm), a függőleges tengelyen a reflektancia érték %-ban), akkor a kapott értékeket összekötő görbét az adott tárgy spektrális visszaverődési görbéjének, röviden reflektancia görbéjének nevezzük. A spektrális visszaverődési görbe nemcsak a tárgy spektrális tulajdonságairól tájékoztat, hanem meghatározza azt a hullámhossz-tartományt vagy tartományokat, melyekben a tárgy részletesen vizsgálható távérzékelési módszerekkel. Az 1.9. ábra a lombhullató és a tűlevelű fák spektrális visszaverődési görbéinek erősen leegyszerűsített képét mutatja. A lombhullató és a tűlevelű fák sokfélesége miatt nem egyszerű görbéket, hanem inkább egymást átfedő sávokat kapunk.
A fentiek alapján látható, hogy a lombhullató és a tűlevelű fák megkülönböztethetők spektrális visszaverésük alapján. Ha az emberi szemet választanánk szenzorként, azonnal problémába ütköznénk. A grafikon szerint a visszaverődési görbék a látható fény tartományában részben átfedik, keresztezik egymást és csak szűk sávban távolodik el egymástól a két görbe. Ezért van az, hogy az emberi szem a két fatípust a zöld valamilyen alig megkülönböztethető árnyalataiban látja. A fa alakját, méretét, helyét, erősségét a levegőből elég nehéz mérni, főleg akkor, ha a fák sűrűn egymás mellett, keverve fordulnak elő. Mégis megkülönböztethetőek, ha infravörös tartományban érzékelő szenzort alkalmazunk a vizsgálatban. Fekete-fehér infravörös filmet használva, a lombhullató fák magasabb infravörös visszaverődésük miatt, általában világosabb tónusban jelennek meg, mint a tűlevelű fák. A látható fény tartományban készült képen szabad szemmel lehetetlen megkülönböztetni a két fatípust, talán csak a tűlevelű fák kúpalakja különbözik a lombhullató fák gömbölyű koronájától. A spektrális reflektancia különbség az infravörös tartományban szembetűnő, a tűlevelű fák jól megkülönböztethetően sötét tónusúak. Ha számítógépes elemzéskor a kép tónusát vizsgáljuk, az egész térképezési folyamatot automatizálhatjuk. A legtöbb távérzékeléses adat analízise ezen az elven alapszik. Ahhoz, hogy a rendszer sikeresen működjön, a megkülönböztetendő tárgyaknak spektrálisan elkülöníthetőknek kell lenniük.
A gyakorlat azt mutatja, hogy nagyon sok földfelszíni tárgy azonosítható, térképezhető és tanulmányozható spektrális tulajdonsága alapján, viszont szintén a gyakorlatból ered, hogy nagyon sok tárgy spektrálisan nem különíthető el. Ezért a távérzékelési módszerek effektív alkalmazása csak akkor lehetséges, ha tudjuk és megértjük az adott tárgy spektrális tulajdonságait az adott vizsgálat szempontjából, vagyis tudjuk, hogy milyen tényezők befolyásolják ezeket a tulajdonságokat.
Érdemes megnézni a földfelszínt borító három tipikus anyag – az egészséges, zöld növényzet, a száraz, csupasz talaj (itt szürkésbarna vályog) és az állóvíz (tiszta vizű tó) – spektrális visszaverődési görbéjét. Az ábrázolt vonalak átlagos visszaverődési görbék, melyek nagyszámú minta mérési eredményeként adódtak. Észrevehető, hogy mennyire eltérőek a különböző anyagokhoz tartozó görbék (1.10. ábra).
Általában ezek a görbék mértékadóak, s mintegy indikátoraik a vizsgált felszínborítási típusoknak. Bár az egyedi formák visszaverődése az átlagosnál erősebb vagy gyengébb lehet, ezeket a görbéket figyelembe lehet venni a spektrális visszaverődés elemzésekor. Az egészséges zöld növények visszaverődési görbéje majdnem mindig jellegzetes lefutású, ugyanott veszik fel minimum és maximum értékeiket (1.10.a ábra). A spektrum látható fény tartományában jelentkező minimumok a növény leveleiben található színtestek (pigmentek) miatt alakulnak ki.
A növény leveleiben lévő klorofil erősen megköti a kék és a vörös fényt, míg a zöld tartományban sugárzott energiát nagyon erősen visszaveri, ezért az egészséges vegetációt zöld színben látjuk. Ha egy növény valamilyen betegségben, vagy káros hatástól szenved, akkor normális növekedése lelassul vagy megáll, s ez a klorofiltartalom csökkenésében is megnyilvánul. A kisebb klorofil mennyiség gyengébb kék és vörös abszorpcióhoz vezet. A vörös visszaverődés növekedése miatt a növény (a zöld és vörös szinek kombinációjaként) sárga színű lesz.
Amint a spektrum látható fény tartományát elhagyjuk az infravörös tartomány felé (0,7 µm-es hullámhossznál), a visszaverődése mértéke ugrásszerűen megnő. A 0,7–1,3 µm közötti sávban az egészséges növényzet a beérkezett energia 40–50 %-át visszaveri. A maradék energia legnagyobb része elvezetődik, hiszen az abszorpció ebben a sávban minimális (kevesebb, mint 5 %).
A 0,7–1,3 µm közötti sávban növényzet visszaverő képessége elsődlegesen a növény levélzetének belső szerkezeti sajátosságaiból következik. A belső szerkezet nagyon különbözik az eltérő fajoknál, ezért a visszaverődés mérése lehetőséget ad a fajok elkülönítésére, még ha a látható fényben a fajok nagyon hasonlítanak is egymásra. Hasonló okok miatt használhatunk ebben a sávban érzékelő szenzorokat a betegségek kimutatására, hiszen a növényi stressz, a betegségek is megváltoztatják a visszaverődési tulajdonságokat. Azonban a méréskor zavaró lehet a növény levélzetének rétegzettsége, amely lehetővé teszi a többszörös sugárzás-visszaverést és elvezetést. Ezért az infravörös visszaverődés növekszik a korona levélrétegeinek a számával.
Az 1,3 µm-nél nagyobb hullámhosszú energia legnagyobb része elnyelődik, vagy visszaverődik a növényzeten, nincs vagy csak kevés az energia elvezetés. Az 1,4 és a 2,7 µm-nél előforduló minimumok azért alakulnak ki, mert a levelek magas víztartalma elnyeli az ilyen hullámhosszú sugárzást. Következésképpen ezeket a sávokat vízelnyelési sávoknak nevezzük. Visszaverődési csúcsokat találunk az 1,6 µm és a 2,2 µm-es hullámhosszaknál, az elnyelési sávok között. Az 1,3 µm-nél nagyobb hullámhosszakra igaz, hogy a levél visszaverődése hozzávetőlegesen fordítottan arányos a levél teljes víztartalmával.
A talaj visszaverődési görbéje kisebb minimum és maximum különbségeket mutat. Ez annak a következménye, hogy azok a tényezők, amelyek a talaj visszaverő képességét befolyásolják nem köthetők egyértelműen spektrális sávokhoz. A sugárzás visszaverődését befolyásoló tényezők: a talaj nedvességtartalma, a talaj szerkezete (fizikai összetétele, a homok, iszap és az agyag aránya, stb.), a felszín egyenetlensége, vasoxid jelenléte, valamint a szervesanyagtartalom. Ezek a tényezők komplexek, változékonyak és kölcsönhatásban vannak egymással. Például a talajnedvesség növekedése a visszaverődés csökkenését vonja maga után. Növényzet esetén ez a hatás természetszerűleg a víz elnyelési sávjaiban az 1,4, 1,9 és 2,7 µm-es hullámhosszakon a legerősebb (az agyagos talajok vízelnyelése az 1,4 és a 2,2 µm-es sávokban jelentkezik). A talaj nedvességtartalma szoros kapcsolatban van a talaj fizikai összetételével. A kavicsos, homokos talajok rendszerint jól vezetik a vizet. Ennek következménye a homoktalajok alacsony víztartalma és relatíve magas visszaverése, ugyanakkor a rossz vízvezető talajok (agyagos, iszapos talajok) általában alacsony visszaverőképességűek. Alacsony talajnedvesség esetén a visszaverődés szempontjából a talaj szerkezete a meghatározó tényező. A kavicsos, durvább szemcseösszetételű talajok sötétebbnek látszanak, mint a finomabb szerkezetű talajok. A visszaverődés mértékét további két tényező módosítja: a talajfelszín egyenetlensége (érdessége), és a talaj szervesanyagtartalma. A talaj vasoxidtartalma szintén jelentősen csökkenti a reflektanciát.
A víz spektrális visszaverődési tulajdonságai közül a legjellemzőbb az infravörös sávban fellépő energiaelnyelés. Ez az infravörös abszorpció nemcsak nyílt vízfelületek (tengerek, tavak, folyók) esetén figyelhető meg, hanem a növényzetben és a talajban jelenlévő víz is hasonló elnyelést okoz. A víz sajátos elnyelési tulajdonsága lehetővé teszi, hogy az infravörös sávban gyűjtött távérzékelési adatokkal pontosan kijelöljük és elhatároljuk a vízfelületeket, bár a vízfelületek jellegzetes visszaverődése már a látható fény tartományban is elég sajátos ahhoz, hogy a szárazföldeket és a vízfelületeket elhatároljuk egymástól. Az energia–anyag kapcsolat ezekben a hullámsávokban nagyon bonyolult és függ a kölcsönhatásban résztvevő tényezőktől. A víztest visszaverődése három tényező: a vízfelszín (közel-tökéletes visszaverő felület), a vízben lebegő anyagok, és végül a mederfenék reflektancia tulajdonságának komplex eredője. Mélyebb vizek esetében ez a harmadik tényező elhanyagolható, itt nemcsak a vízfelület visszaverő tulajdonságától függ a reflektált fény mennyisége, hanem a vízben lévő (lebegtetett vagy oldott állapotú) anyagoktól is.
A tiszta víz viszonylag kevés energiát nyel el a 0,6 µm-nél rövidebb hullámhosszú sugárzásból. Különösen a spektrum kék-zöld tartományában nagy a víz átengedő, sugárzástovábbító képessége. A víz színének (vagyis az áteresztő és a visszaverő képesség) változását okozza az örvénylés és a szerves, szervetlen anyagok megjelenése. Például, ugyanannál a folyónál a talajerózióból származó anyagok oldott formában történő szállítása sokkal erősebb visszaverődést okoz a látható fény tartományban, mintha a folyó vize tiszta lenne. Ugyanúgy változik a reflektancia a víz klorofiltartalmának növekedésekor. Ezért a távérzékelés lehetőséget nyújt a vizek folyamatos monitoringjára (ismétlődő méréssorozat az állapotváltozások érzékelésére, mérésére), az algakoncentráció jelenlétének kimutatására és az algatömeg becslésére, valamint egyéb szennyeződések (olaj-, és egyéb ipari hulladékok) felderítésére. A víz egyéb fizikai, kémiai tulajdonságai, pl. az oxigéntartalom, a pH vagy a sókoncentráció, nem mutathatók ki távérzékeléses módszerekkel, bár néhány paraméter változása korrelál a reflektancia módosulásával.