本发明提供了一种面阵凝视红外遥感图像时空三维噪声识别及补偿方法。该方法针对面阵凝视红外图像中行轴、列轴和时间轴产生的非稳定型三维噪声，实现准确的噪声定位及补偿处理。该方法通过样本选择、空间滤波、噪声初选、噪声定位文件制作、噪声补偿5个过程实现，具有不依赖黑体定标信息、噪声定位精确、仅处理噪声像元而不损失图像信息的特点。本发明克服了目前噪声滤波方法应用于具有时空三维非稳定噪声的面阵红外遥感图像序列时计算量大、易造成图像信息损失等缺点，可应用于红外图像在轨处理、质量改善等领域，也有助于提高面阵红外图像几何匹配精度。