近二十年来，地震技术获得了巨大的发展，目前，以多次覆盖为核心的三维数字地震技术得到普遍的应用。虽然三维地震勘探的采集、处理和解释的成本很高，但人们越来越认识到它的价值，三维地震勘探是地球物理界发展最快的一个领域。大多数国际化大石油公司在确定不同勘探阶段的井位时，第一个硬性条件就是必须有三维地震资料，否则就不能确定井位，全世界每年投入三维地震的费用已经占到全部地震费用的85％以上。近年来，我国东部三维地震勘探主要是油藏动态描述，西部山地地震主要解决成像和储层，三维投资和工作量也有明显上升，三维地震也在大规模发展。同时，关于三维地震勘探方面的研究工作也更加的深入和细致。 地震勘探是一个系统工程，需要采集、处理和解释三个环节的密切配合。这三个环节之间脱节，就会直接导致地震勘探成果质量的下降。由于野外采集处在地震勘探诸环节的首位，野外采集的第一手资料质量的好坏，直接关系到能否很好的完成地质任务。同时，野外数据采集也是目前三维地震勘探中费用最大的部分，几乎占到全部费用的70％～80％。因此，关于野外采集方面的研究工作也就显得越来重要。 目前，三维地震勘探正处于一个两难境地：即一方面要求地震采集的精度尽可能地高，又要求采集成本尽可能地低。为此，从地震勘探的观测系统设计阶段，就要根据预定的地质目标建立起采集、处理、解释各阶段所要求的标准，通过优化观测系统设计，从技术和经济上统筹考虑使二者之间达到一个恰到好处的折衷。本文就是从这个角度出发，系统的讨论了关于三维观测系统的优化设计，主要完成了以下工作： 1．系统的总结了目前三维地震采集的观测系统类型、设计要求与原则及主要参数的选取。 2．通过基于三维观测系统参数的退化性处理试验考察了一些观测系统参数的变化对处理及后续解释环节的影响。 3．通过仔细分析目前主流的观测系统优化设计模型以及建立方法，建立了一个基于地球物理目标的观测系统优化设计目标函数，利用数学规划的方法求解该目标函数，并通过仿真试验来讨论目标函数的可行性，模拟试验表明该目标函数能够应用于观测系统的优化设计。