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随着地震勘探不断深入，所面临的地质问题日趋复杂;短波长速度即可以改进深度域偏移的准确度，也可以用来指示小的不均匀体，从而可以指示砂体、缝洞、断裂带、超压带等具有岩石物性差异的地质目标。全波形反演方法，可以反演短波长速度变化，既可以应用于中浅层速度短波长建模，也可以与反偏移结合用于反射波反演，是目前国际石油地震勘探资料处理方法中正在深入研究和发展迅速的方法。论文针对三维大模型全波形反演的问题，根据GPU的硬件特性，提出了多GPU并行的多尺度计算方案，并取得了以下进展: 1.数值对比和研究了多种反演算法，数值试验表明，拟Hessian算法综合利用了模型差值，目标函数信息，梯度差值等多种信息，加速了反演的收敛性，可作为全波形反演的方法基础; 2.对比了时间域和频率全波形反演各自的优缺点，确定在三维全波形反演中采用混合域方案进行研究;在二维情况下，频率域全波形反演要优于时间域全波形反演，但三维情况下，频率域的LU分解所需内存过大，现代计算机水平满足其计算需求的成本较高，因此在三维情况下，一种便于实现的可行方案是正演和残差波场反传都在时间域进行，在频率域计算梯度，即混合域全波形反演; 3.进一步数值研究了混合域波形反演的GPU实现技术，该硬件和配套软件技术适应了时间域细粒度并行和频率域多尺度反演的特点;比传统的CPU计算速度提高了一个数量级，是三维全波形反演的重要实现途径; 4.实现了大模型三维全波形反演的多GPU并行方案;根据GPU内并行运用，连续寻址计算速度较快、不连续寻址计算速度降低的特点，提出XY方向单个GPU内并行、在Z方向上分块多GPU并行的多尺度方案，提高了大模型三维全波形反演的计算效率，程序具有良好的可扩展性，使得GPU三维全波形反演的模型规模有10GB量级的提升。