本发明涉及一种天空地一体化大气监测系统，包括：数据采集模块、数据存储模块、数据处理模块和数据监控模块，所述数据采集模块采集卫星上、空中和地面的环境数据，所述数据处理模块包括数据预处理单元、多源数据融合单元和数据特征提取单元，所述数据预处理单元对采集的影像图进行预处理后，所述多源数据融合单元将卫星上、空中和地面的环境数据三者融合为统一的特定格式数据，所述数据特征提取单元提取出卫星上、空中和地面的环境数据中的环境参数的数据值和分布状况，所述数据监控模块根据数据值和分布状况和预设的阈值，对环境情况进行监控。本发明实现了大气质量的大范围、全方位、全天候、多维度、多要素的远程监控，提高了监测的准确度。