在我国中西部地区,由于地形剧烈起伏、巨厚风化层、断层分布且伴有强烈褶皱等复杂近地表因素的影响,地震资料信噪比普遍较低,因此近地表速度结构的准确获取成为了提高地震成像质量的关键。就获取近地表速度的方法而言,初至走时层析反演是一种较好的选择,但是模型空间速度的复杂多变使得射线路径分布情况十分不均,会大大增加求解过程的不适定性,从而影响层析成像的分辨率和可靠性。因此进一步研究更高精度、反演过程更为稳健、效率更高的走时层析反演显得十分有意义。首先,为了获取一种计算效率和计算精度都相对较高并且能够适用于复杂模型的射线追踪方法,论文系统研究了各类射线追踪方法,这其中包括直射线追踪、基于求解射线方程的、基于波前构建的、基于高斯束的、基于有限差分的、基于最短路径和基于线性旅行时插值的射线追踪方法。在通过数值模拟探讨分析了它们各自的优缺点之后,提出了适用于起伏地表下复杂速度结构的最短路径射线追踪方法并结合模型试算来验证了该方法。这种射线追踪方法结合了线性走时插值精度高和最短路径易全局收敛的优点,兼顾计算效率和计算精度,该算法求解过程稳定,不需要依赖于模型的复杂程度。然后,论文介绍了层析反演的基本原理,即如何利用走时残差、射线穿过网格长度和慢度建立反演方程组和求解反演方程组的ART算法、SIRT算法和LSQR算法3种反演算法,并提出了起伏近地表下层析反演方案和流程,建立水平和起伏理论模型验证了该层析反演方案。最后,论文为了分析复杂近地表下影响反演精度的因素,包括反演方法、初始迭代模型、覆盖次数、迭代速度场平滑算法以及偏移距几种影响因素,建立了典型的复杂近地表理论模型,并在不同影响因素下分别对该模型进行层析反演,通过对比分析它们的反演结果,讨论了各种影响因素对反演结果的影响,并提出了对实际生产中反演处理的建议。特别地,本文提出了一种新的层析反演方法—不同偏移距范围间的迭代层析反演,数值模拟表明,该方法相较传统层析反演方法,在反演地表附近浅、中深度地层速度效果更好。