传统的黑白图像记录了场景的空间结构和细节信息，但黑白图像不包含场景中目标的光谱信息。彩色图像不仅记录了场景的空间结构和细节信息，同时还记录了场景中目标的包括红、绿、蓝三个通道的光谱信息，从而彩色图像可以记录场景中目标的颜色信息。多光谱图像与彩色图像的区别在于，多光谱图像记录的光谱信息包括至少两个通道，其中每个通道记录了场景中目标在特定谱段的光谱信息。所以可以认为，多光谱图像是对彩色图像的拓展——多光谱图像中记录的光谱信息可以不局限于人眼视觉上的颜色信息。拥有较多光谱通道数量的多光谱图像可以精确的记录目标的紫外、可见和/或红外光谱信息，在遥感、目标识别和跟踪、质检、刑侦、医疗、科研以及越来越多的各种领域中发挥了重要的作用。但是较多的光谱通道为多光谱图像带来了较黑白图像和彩色图像高很多倍的存储和传输需求，对采集设备和采集环境的要求也更高，这对多光谱图像的应用带来了挑战。为了减少多光谱图像在采集和传输时的代价，如今的便携式多光谱成像系统中广泛应用了马赛克镀膜，实现了单个传感器上的快照式多光谱成像，解决了多光谱图像采集和传输的难题。但马赛克镀膜式多光谱相机采集的原始图像是一个二维的马赛克图像，其中的每个像素都只记录了一个特定光谱通道的信息，原始图像的空间结构、细节信息和光谱信息都是不完整的。所以马赛克镀膜式多光谱相机采集的原始图像首先需要经过一个称为“去马赛克”的预处理过程来对缺失的图像和光谱信息进行重建，然后才可以用于实际应用中。随着光谱通道数量的增加，马赛克镀膜式多光谱相机采集的原始图像中信息的缺失也越为严重，这对去马赛克重建的过程带来了极大的挑战。本论文的研究对象主要是马赛克镀膜式多光谱相机采集的不完整的多光谱图像，研究其图像和光谱信息的重建方法。本论文设计了两种不同的针对马赛克镀膜式多光谱相机的图像和光谱信息的去马赛克重建方法：（一）基于自适应频域滤波的方法；和（二）局部线性模型增强的方法。这两种去马赛克重建方法都可以分为两个步骤：（一）从采集的马赛克图像中提取出一幅黑白图像，它记录了场景的空间结构和空间细节信息；和（二）以第一步得到的黑白图像作为指导，用采集的马赛克中的不完整的光谱信息重建得到完整的光谱信息，从而重建出完整的多光谱图像。在本课题的研究中，还进行了仿真数据实验和真实场景数据实验。仿真数据实验的结果证明，本论文提出的基于自适应频域滤波的去马赛克重建方法，相比现有方法的耗时减少77%，均方根光谱误差降低14%；本论文提出的局部线性模型增强的去马赛克重建方法，相比已有方法的耗时减少69%，均方根光谱误差降低24%，并且重建得到的完整多光谱图像的主观视觉观感优于已有的多光谱图像去马赛克重建方法。真实场景实验的结果证明，本论文设计的局部线性模型增强的去马赛克重建方法在实际应用中重建得到的多光谱图像在视觉观感上优于现有的最好方法，证明了本论文设计的去马赛克重建方法具有很高的实用性。