本发明公开一种综合时空特征的时间序列植被指数图像重建方法，首先根据原始时间序列VI图像中缺失值的位置，判断连续缺失的长度，利用HANTS模型重建连续缺失长度较小的缺失值；然后，对于存在较大时间连续缺失的像素，将其作为目标像素，以其为中心设置一个搜索窗口，从窗口内选取与目标像素具有相似VI时间变化特征的像素；建立目标像素与相似像素之间的回归模型，利用同一时间相似像素有效但目标像素无效的VI值，通过回归模型预测目标像素的缺失值；最后，通过权重综合窗口内不同相似像素的预测结果；最终，再次对时间序列VI图像进行平滑处理。本发明可以有效提高基于时间维重建方法的精度。