在地震勘探中,观测系统是指炮点与检波点的相互位置关系。观测系统优化设计的最终目的是提高地震采集资料的质量。本文从CMP面元属性分析和CRP面元照明分析两个方面出发,分别对三维层状水平模型和二维层状起伏模型的观测系统进行了优化设计。在CMP面元属性分析方面,首先从观测系统参数统计出发,总结了一组独立参数。在此基础上,统计出三维观测系统CMP而元三个属性——覆盖次数、方位角和炮检距分布情况,并提出了基于炮检对密度的覆盖次数计算方法。随后,给出了目标函数,根据目标函数分别对三个属性进行局部寻优得到寻优曲线。在CMP面元全局寻优时,为了克服计算量问题,笔者首先研究了约束条件,在强约束的条件下,实现了覆盖次数属性的全局寻优并得到观测系统寻优参数表格,最后通过炮检距和方位角属性的目标函数值进行寻优结果筛选,得到了一组基于CMP理论的最佳观测系统参数。在CRP面元照明分析方面,首先建立了一个目标层起伏的二维层状模型,并针对该模型实现了基于逐段迭代方法的射线追踪。通过统计CRP面元的覆盖次数,得到了目的层照明曲线。为了克服观测系统离散采样造成的照明曲线高频振荡以及射线路径的唯性造成照明强度的极值和空白等失真现象,笔者从两个方面对CRP面元照明方法进行改善和进化。其一,通过增加采集密度和增大面元尺寸实现了照明曲线的平缓过度；其二,实现了多路径射线追踪的照明分析方法,并对二维层状起伏模型进行了单炮排列照明分析和多炮照明分析。本文得到若干结论和认识。第一、笔者提出了基于炮检对密度的覆盖次数计算公式,与传统的覆盖次数经验公式相比,该公式更加究备合理,综合考虑观测系统参数与覆盖次数的关系；第一、笔者实现了CMP面元三个属性的统计和局部寻优,覆盖次数局部寻优曲线表明,在纵测线方向上,当排列的接收道数是滚动道数的2N(N为正整数)倍时,覆盖次数完全均匀；在横向上较为复杂,讨论结果较为复杂；第三、CMP面元全局寻优计算量极大,笔者在强约束条件下,实现了覆盖次数属性全局寻优,并通过炮检距和方位角属性的寻优筛选,得到了基于CMP面元属性理论上的最佳观测系统参数；第四、传统CRP面元覆盖次数照明分析射线路径具有单一性,对于起伏模型容易出现照明曲线的强烈振荡,增加采样密度或者增大面元尺寸能够改善照明结果；第五、笔者实现了基于多路径射线追踪的照明分析方法,该方法能够显著减小地层起伏造成照明曲线的失真现象,照明结果更加合理。