本发明公开的基于梯度域的高光谱图像非线性特征预处理系统及方法，属于图像处理技术领域，包括：图像获取模块，用于获取高光谱图像；去噪模块，用于对高光谱图像进行去噪，获得去噪后图像；梯度面获取模块，用于获得去噪后图像的像素值，并根据像素值计算获得去噪后图像的梯度面；非线性解混模块，用于根据梯度面和P‑线性混合模型对去噪后图像进行非线性解混，获得非线性解混后数据；结果获取模块，用于通过非线性解混后数据和非线性归一化算法，获得预处理后的高光谱图像。对获取的高光谱图像进行预处理后，能够解决切片制备与高光谱扫描像元光谱信息收集不一致带来的数据统计分布不均及难以处理的奇异样本数据问题。