La réflexion se définit comme un changement de direction du rayonnement électromagnétique quand celui-ci atteint une surface. En télédétection, le phénomène de réflexion est primordial, car l’identification de la nature des objets par les capteurs satellitaires repose en grande partie sur la manière dont ils renvoient le rayonnement. La direction du rayonnement réfléchi peut varier, elle dépend de la rugosité des surfaces naturelles. On distingue ainsi trois types de réflexion : réflexion spéculaire, réflexion diffuse et réflexion de volume.

Réflexion spéculaire
La réflexion est dite spéculaire lorsque le rayonnement réfléchi par la surface l'est dans une seule et même direction. Ce type de réflexion est régi par les lois de Descartes, l’angle du rayonnement réfléchi est donc le symétrique de celui du rayonnement incident par rapport à la normale (figure ci-dessous). La réflexion spéculaire se produit uniquement sur des surfaces lisses, dont les aspérités ont une taille inférieure à la longueur d’onde du rayonnement incident. En télédétection, on peut observer une réflexion spéculaire sur des surfaces d’eau calme. Sur les images, la réflexion spéculaire se traduit par une tâche éblouissante si le capteur se situe exactement dans la direction du rayonnement réfléchi, ou bien sombre dans le cas contraire.

Réflexion diffuse
Lorsque les surfaces sont rugueuses, qu’elles présentent des aspérités dont la taille est supérieure à la longueur d’onde du rayonnement incident, la réflexion est diffuse. Le rayonnement est réfléchi dans toutes les directions à cause des hétérogénéités du milieu, avec généralement une direction privilégiée pour laquelle la réflexion est plus importante (figure de gauche). On peut ainsi définir pour chaque surface une indicatrice de luminance (en pointillés). Si on trace à partir de la surface réfléchissante les vecteurs proportionnels à l’intensité du rayonnement réfléchi dans toutes les directions, l’indicatrice de luminance est la surface obtenue en reliant entre elles toutes les extrémités des vecteurs. Lorsque les directions d'observation (capteur satellite) et d'éclairement (soleil) coïncident, la quantité de lumière réfléchie par une surface rugueuse présente un maximum. Ce phénomène, connu sous le nom de 'hot spot' est lié au fait que dans cette configuration, l'instrument ne voit que des éléments de surface éclairés, ce qui explique le pic de réflectance (figure au centre). Dans le cas où l’intensité du rayonnement réfléchi est la même dans toutes les directions, on parle de réflexion lambertienne (figure de droite).

Réflexion de volume
La réflexion de volume peut être considérée comme la somme de plusieurs réflexions de surface. Elle se produit lorsque une partie du rayonnement incident est transmis dans un milieu. Le rayonnement est alors réfléchi par les différentes discontinuités de la couche traversée.