本发明公开了一种基于增强非局部总变分模型先验的单幅图像超分辨率重建方法。主要包括以下步骤：对输入低分辨率图像进行双三次插值，得到初始高分辨率估计；利用多偏移搜索策略，得到每个像素对应的非局部相似像素组；基于衰减核策略，对多偏移搜索处理中的偏移目标图像块分配随偏移距离衰减的权重；基于稳定的组相似性可靠度策略，得到每个相似像素组与目标像素间的相似性可靠度；构建基于增强非局部总变分的超分辨率代价函数，并求解高分辨率图像；重复前述几个步骤，直到迭代次数到达预设值。本发明重建得到的图像在主客观效果上均具有明显的优势，因此本发明是一种有效的单幅图像超分辨率重建方法，且可广泛应用于军事、医疗、农业等领域。