本发明公开了一种基于像素分布估计的单张图像超分辨重建系统及方法，首先进行数据预处理获得高分辨率图片IHR和低分辨率图片ILR；然后构建并训练基于像素分布估计的图像超分辨重建网络，包括权重提取模块和像素分布估计模块；权重提取模块用于从输入的低分辨率图片ILR中计算出像素分布估计模块所需要的权重，而像素分布估计模块根据预先设定的倍数s对输入图片像素的邻域像素相对坐标进行像素估计，实现图像的超分辨重建过程。本发明方法从像素分布估计的角度解释并实现了图像超分辨重建，模型结构简单，权重学习模块结构用卷积层就可以很好的学习，运算成本低，且效果好。