本发明公开了一种基于虚拟影像的光学卫星遥感影像厚云去除方法。首先，对于被厚云覆盖的影像，利用云掩膜数据剔除云像元，被剔除的云像元作为待恢复的目标像元，相连的目标像元作为待恢复的云区域。对影像中的每一个云区域分别进行去云处理。然后，构建时序加权光谱距离，针对每个目标像元，在内层缓冲区搜寻相似像元。利用相似像元与目标像元的时序加权光谱距离和空间距离计算权重，通过权重线性分配的方法将相似像元的残差分配至目标像元，得到目标像元的残差，进而获取云区域的残差影像。最后，将云区域的虚拟影像和残差影像结合，获得云区域的无云影像。本发明有效解决了光学遥感影像在云污染的条件下无法获得地表信息的问题。