磁共振（Magnetic Resonance Sounding,MRS）地下水探测方法是目前地球物理探测领域中唯一能够直接定量探测地下水赋存状态的方法。本文针对以往地面磁共振（Surface Nuclear Magnetic Resonance,SNMR）系统进行目标水体探测时存在的效率低、分辨率低和成像结果不稳定的问题,开展了复杂条件地下目标水体三维（Three Dimensional,3D）成像方法研究,主要包括3D SNMR高精度正演方法、基于先验信息优化的Block反演新方法以及基于水平光滑约束的3D Block反演方法。论文的主要研究工作及取得的成果如下。1.论文研究并提出了一种基于Hammer积分的3D SNMR正演新方法。该方法基于非结构不均匀四面体网格,能够高效完成高精度3D SNMR正演计算任务。首先借助商用有限元软件COMSOL计算地下3D空间磁场矢量,推导得到能够用于SNMR正反演计算的3D核函数表达式。运用Hammer积分算法在常规网格中完成3D核函数的高精度计算,有效解决了当前SNMR正演计算方法存在的不足,即使用常规网格尺寸大精度差,而运用细化网格计算量大的问题。基于Hammer积分的新SNMR正演方法具有网格少,计算节点少,积分精度高的特点,能够高效解决3D核函数的正演计算问题。2.为满足地面磁共振测深方法中对含水层边界的准确反演要求,论文提出基于先验信息优化的Block反演新方法。该方法根据Smooth反演算法得到不同深度含水信息解向量,选取解向量各分量间变化率最大的几个位置作为侯选含水分层初始位置,利用迭代方法确定各分层的最终位置。基于Tikhonov正则化反演理论,推导了Block反演的迭代格式并用基于约束加权和先验的共轭梯度最小二乘算法求解,精确获得了含水层的边界和含水量,先验信息的引入解决了传统Block反演方法不稳定和可靠性低等问题。Block反演在深含水层边界的计算精度上优于Smooth反演,且具有较强的抗干扰能力和稳定性。由先验信息优化后的Block反演新方法满足反演精度和稳定性要求,而且对含水层内部的复杂结构也能提供更丰富的分层信息。3.为解决以往固定剖分结构反演（Fixed Geometry Inversion,FGI）方法在完成3D地下水体SNMR成像中出现的分界面不清、个别体积剖分单元含水量异常等问题,本文提出了基于水平光滑约束的可变剖分结构反演（Variable Geometry Inversion,VGI）方法。该方法能够在3D SNMR探测中更好地完成3D目标水体的成像任务,且反演结果稳定可靠。与以往的FGI成像方法相比,由VGI方法能够得到更清晰的含水体垂向分界面,因而可以更精确获取含水体形态特征。施加水平光滑约束的VGI反演模型显著改进了含水体低分辨率区域的成像效果,以往FGI成像中个别体积剖分单元出现含水量异常的情况也得到改善。VGI成像结果中含水体内部体积剖分单元含水量分布也更为均匀。4.为得到更好的VGI反演成像结果,需要对所选取体积剖分单元大小进行研究。为此本文设置了仿真模型并对仿真数据进行研究。仿真结果表明,剖分单元体积过大会得到相对粗糙的成像效果,而剖分单元体积太小又会导致含水体内部含水量分布不均匀,因而都是不合适的。适中体积剖分核函数VGI模型拥有比FGI模型更少的模型变量,因而计算核函数时所需内存较少,也能够更快完成整个反演计算过程。通过对以上内容的研究,本文实现了一整套针对复杂条件地下目标水体的3D成像方法,主要创新工作概括如下。1.首次提出基于Hammer积分的三维地面磁共振正演计算方法。该方法基于非结构不均匀四面体网格完成积分计算,具有网格少,计算节点少,积分精度高的特点,能够高效完成核函数的正演计算。2.提出基于先验信息优化Block反演新方法。先验信息的引入解决了传统Block反演方法不稳定和可靠性低等问题,能够精确获得含水层的边界位置和含水量信息。大量的实验室测试和磁共振找水仪野外找水过程表明,基于先验信息优化的Block反演新方法比传统的单纯Smooth反演方法能够获得更准确的边界信息。3.提出基于水平光滑约束的VGI方法。反演模型显著改进了含水体低分辨率区域的成像效果,以往FGI成像中个别体积剖分单元出现含水量异常的情况也得到改善。通过合理选择大小合适的体积剖分单元,由VGI方法能够获得更为均匀的3D含水量成像结果。本文研究的地下水成像方法和SNMR系统已在长春市烧锅镇、白城市镇赉县四方坨子、温州市泽雅隧道和德国某人工湖探测工程中得到应用,完成了多种复杂环境下3D目标水体的预期探测任务,并得到了较好的成像结果。经由多种其他地球物理方法和现有地质资料与探测结果对比,证实了本文所述方法的正确性和可靠性。