近年来，随着社会发展对油气资源的需求不断增长，油气藏的勘探目标逐渐由简单地质背景（浅层）向复杂构造背景（深层）转移。深层和复杂地质构造下的油气资源勘探对成像的分辨率要求很高，那么，地震数据的常规处理技术应基于高分辨率的地震偏移成像，而速度模型的分辨率对于偏移成像的分辨率又起到关键作用。　　对于深层复杂地质构造，地震资料处理与解释需要准确的速度模型和高精度的分辨率，传统的速度建模方法已经不能满足要求。全波形反演利用叠前地震记录中的所有信息，包括运动学信息和动力学信息，在深度域精确地描述介质速度场的分布情况，并能细致地刻画复杂地质构造的特征、岩性细节以及油气藏分布状况，全波形反演速度建模方法是一种具有高精度和高分辨率的方法。但是，在实际地震资料速度建模时，该技术面临低频信息缺失、多次波预处理去除等问题和难点。基于此背景，本文在以下几方面进行了深入研究，主要工作包括:　　一、本文实现了一种求解弹性波解耦方程的优化拟解析方法，对纵波和横波波场模拟，分别应用其对应的弹性波优化算子，延拓矢量波场的同时，可分解并延拓纯纵波和纯横波波场。相比较于常规的伪谱法和拟解析法，弹性波优化拟解析方法在时间和空间上均具有更高的精度;并且，在大步长时间采样间隔时，该方法更稳定。　　二、对频率域及频率扩展域—Laplace-Fourier域全波形反演理论详细介绍，通过模型测试，在初始模型较差时，Laplace-Fourier域全波形反演也能得到较好的反演结果，证明了Laplace-Fourier域全波形反演对缺少低波数成分（长波场分量）的初始模型依赖程度降低;对步长求取方式和局部优化算法进行了介绍，并数值模拟了抛物线拟合法和步长衰减法两种步长求取方式以及梯度法、共轭梯度法、L-BFGS算法、拟Hessian矩阵法四种反演算法。　　三、(1)本文提出一种基于GPU/CPU协同计算和震源随机编码技术的简化混合域全波形反演策略，与传统的相位编码反演方法相比，震源随机编码技术在反演效率和收敛速度方面均有优势，且减少了炮间串扰噪声;与传统的混合域方法相比，简化混合域反演减少了正反傅里叶变换各一次;并且在GPU的加速下，计算效率会再次提升。(2)本文提出了一种基于反假频低频重建的混合域全波形反演。从野外观测数据中恢复和补强低频信号能量（3Hz到4Hz的低频数据），可以有效避免周期跳跃(cycle skipping)现象，从而能够更好地使模拟数据和实际数据拟合，使反演收敛效率更高。　　四、利用实际地震资料进行全波形反演时，需要做去除多次波的预处理。　　(1)本文利用层间多次波预测算子，根据有效波和层间多次波之间严格的预测关系，在τ-p域，得到一次波对应的层间多次波，然后将层间多次波进行反τ-p变化，即可得到时间域的层间多次波，该方法可以预测所有的层间多次波。　　(2)本文实现了未规格化非均匀采集数据直接SRME技术，利用三维地震资料表面多次波数据贡献道集技术，减少了对3D SRME的数据运算量;利用基于抛物线Radon变换的稀疏反演方法，替代横测线方向贡献道集的叠加，避免该方向数据规则化过程中产生的误差和直接求和产生的空间假频。利用该方法压制表面多次波，其对表面多次波压制效果和实用性要优于传统的3D SRME。