反射地震勘探以提取并应用地震波所携带的信息获取高精度地下介质参数分布为主要目标。随着地震勘探程度的加深,需要获取精度更高的地下介质参数分布,常规的地震数据处理方法由于理论上的限制已不能完全满足地震勘探的需求。波形反演是一种建立在完备理论基础上的反演方法,以正演数据与观测数据的波形匹配为准则通过非线性反演获取地下介质参数分布。由于充分利用了数据中的波形信息(包含旅行时、振幅等)并将完整的波动方程作为正演算子,波形反演在理论上具有更高分辨率。此外,基于弹性介质假设而非声介质假设能够更真实的描述地震波在实际介质中的传播,同时为多参数反演提供了前提。在理论上,弹性介质假设下的波形反演方法能够在一定程度上弥补常规地震数据处理方法的不足,提供精度更高的地下介质参数估计,为油气藏的精细描述提供更多的地球物理证据。本文在给出波形反演的基础理论之后,首先讨论了弹性波波形反演中的模型参数化策略。模型参数化是多参数反演的第一步,参数化方式选取的合理与否将直接影响对不同参数的反演能力。辐射模式分析作为一种解析的分析方法,具有坚实的理论基础及明确的物理意义,然而该方法基于均匀介质假设,在复杂介质中较难给出明确的结论。结合辐射模式分析及复杂模型数值测试结果,本文给出了针对反射地震勘探的参数化策略。针对波形反演对初始模型严重的依赖性,分别给出了频域与时域的多尺度反演策略。在合理选取反演频率的前提下,通过从低频到高频的逐级反演可分别获取模型的低、中、高波数成分,减少陷入局部极值的可能性。频域波形反演由于直接处理单频数据,是进行多尺度反演的最直接方法。由于其处理多源问题的高效性,在模型较小时具有较高的计算效率。针对频域反演在处理大尺度模型时其庞大的计算量及内存占用等问题,发展了混合域多尺度反演方法。通过利用时域算法进行波场的传播、在频域进行梯度计算等,充分结合了时域算法大尺度模型正演的高效性及频域多尺度反演的优势,为将相关方法应用到大规模的实际数据奠定了基础。此外针对多参数反演中不同参数的步长估计问题,将子空间步长搜索方法应用到了弹性波波形反演。由于实际地震波是在三维空间中传播的球面波,对观测数据直接应用三维波形反演将具有更高的精度。考虑到三维波形反演庞大的计算量,针对目前应用较广的高性能计算设备,发展了基于区域分解的三维弹性波波形反演并行算法。