在地震勘探中,复杂地表环境下的层析成像工作是非常重要的。目前三维地震勘探的应用越来越广泛,三维表层层析成像是解决复杂地区静校正问题的关键,也是偏移成像的工作的重要前提,研究三维表层层析成像的必要性已日益突出。　　 本文的研究工作是围绕初至波三维层析成像算法展开,利三维地震资料中的初至时间,运用合适的三维射线追踪算法和反演算法,反演出近地表的三维速度模型。主要完成了三维射线追踪算法和层析反演算法的C语言编程实现工作,并且进行了理论模型和实际资料的测试,取得了良好的效果。　　 本文研究了多种射线追踪方法,并总结了各种方法的优缺点。为了能够快速的得到准确的初至波旅行时和射线路径,选取了高精度多次回溯射线追踪方法,改进并优化了此方法,使其能够应用到三维情况。通过理论模型的试算,改进后的算法,不仅具有较高的精度,而且具有较高的计算效率,符合三维层析成像的要求。　　 研究并总结了几种常用的层析反演算法,选取了SIRT反演方法,并进行了编程实现。反演中过程,利用多个合理有效的约束手段,包括速度区间约束、慢度修正量大小约束、内部迭代次数约束、速度外推、速度平滑、微测井约束等,大大改善了反演的精度和层析成像的质量。针对三维数据量大,大型稀疏矩阵消耗内存多的难题,本文提出了初至波三维层析成像中大型稀疏矩阵的压缩存储及求解的方法,大大节省了内存空间,且提高了计算的效率。理论模型和实际资料试算的结果表明,本反演方法能够很好的得到近地表的三维速度模型。