地震波走时层析成像是通过观测到的地震波走时信息，应用模型重建算法反演地下介质结构、速度分布以及弹性参数等重要信息的一种反演方法。如今，地震层析成像已经发展成研究地球内部非均匀结构和动力学过程的最重要的工具之一。当今世界尤其是中国西部地区，随着简单地质条件下勘探工作的深入和完善，大量的矿产、油气等资源的地震勘探工作在具有起伏地表的区域进行。在地震数据的采集、处理和解释中，起伏地表问题越来越引起人们的关注。传统的基于水平地表的地震波动理论和数据处理方法在起伏地表地区受到很大限制。经典的“模型扩展”的起伏地表处理方案会在地震波传播与成像中诱发系列问题，且其在模型参数化时产生的起伏地表的阶梯状表示及对起伏地表之上填充均匀介质会导致精度的损失。　　本研究旨在发展和完善一套对起伏地表观测的地震资料进行处理和解释的方法。地形“平化”策略基于贴体网格，并利用曲线坐标系和笛卡尔坐标系之间的变换实现。该策略是一种与复杂地形完全匹配的无损的处理起伏地形的方法，已在流体力学中得到有效应用。论文中，我们针对模型扩展策略在处理起伏地表时诱发的问题提出了相应的模型扩展准则，通过引入地形“平化”的思想，并基于与地形有关的程函方程及其解，发展了复杂地表条件下的地震初至波射线路径计算方法以及地震波初至走时层析成像反演技术。发展的方法技术在系列理论模型与实际资料处理中取得了显著效果。针对模型扩展策略在处理起伏地表时产生的内部不连续性以及充填介质速度参与计算两者产生的虚假射线问题，利用不同模型的射线路径研究地形梯度与临界速度比之间的关系，从而得到模型扩展准则，按照该准则选取充填介质的速度可以保证模型扩展策略在计算射线路径时的可行性。在地形“平化”策略下的与地形有关的程函方程及其解的基础上，发展了相应的初至波射线路劲的计算方法，为地震波射线路径计算中复杂地形的处理提供了一个可供考虑的全新方案，且使用的地形“平化”策略在物理空间和计算空间中都保持起伏地表为自由表面。在与模型扩展策略的对比结果中可以看出，本文方法避免了虚假射线的产生，并且不需要选择填充区域内的充填介质速度。地震层析成像广泛用于建立地下介质的速度结构。正演采用与地形有关的程函方程及其解，以及得到的相应射线路径计算方法，反演引入反投影算法，发展了一种直接对起伏地表观测的地震波初至走时数据进行处理的层析成像方法。该方法能够得到起伏地表下的地球内部结构，且能处理有噪声干扰的数据。其在青藏高原东北缘景泰-合作剖面的应用也取得了较好的结果。