初至波走时层析反演是一种重要的近地表速度结构建模技术,能够为地震资料处理中的静校正、叠前深度偏移、波形反演等环节提供准确的浅表层低波数背景速度。但是,随着三维高精度地震勘探成为主流,地震资料进入“大数据”时代,传统的走时层析反演受理论方法的制约,在计算精度与效率上已无法满足当今三维地震资料处理的需求。因此,本文的研究工作围绕三维走时层析反演中的计算精度与效率问题展开,从理论层面改进与优化传统方法,提升方法在三维资料处理中的实用性。高效准确的初至走时拾取是保障层析反演效果的前提。本文结合边缘保护平滑算子在信号去噪以及边缘特征检测中的作用,改进了传统的能量比算法,并结合误拾取自动校正技术建立了一套完整的初至拾取流程。该方法不仅继承了传统能量比法计算快速稳定的优点,还提升了能量比法对低信噪比数据的拾取精度,保证了近地表条件复杂地区三维地震资料的拾取效果。三维射线追踪的计算精度与效率一直是基于射线理论的传统层析反演方法中的技术瓶颈。本文从经典的快速推进算法出发提出了多模板快速推进算法,基于坐标系变换建立了三维情况下的六个迎风差分模板,显著改善了原方法在对角方向的正演计算精度;建立了起伏地表条件下的高效波前扩展策略,保证了方法对于三维大规模复杂模型的适用性,最终结合Runge-Kutta算法实现了射线路径求取。在层析反演方程的建立中,推导了Fréchet微商的具体形式;为解决模型规模增加给反演带来的零空间与欠定分量问题,建立多约束目标函数,充分利用走时信息、视慢度信息、模型平滑度信息等约束模型反演解,保证三维层析反演的精度与迭代收敛速度。考虑到射线类走时层析存在的一些固有缺陷,本文还探索了一种应用线性程函方程的走时层析反演方法。通过线性程函方程建立走时扰动与慢度扰动间的线性关系,利用迎风有限差分实现线性算子求取,最终结合线性反演算法实现了模型速度的迭代更新。由于避免了三维射线追踪自身的精度效率问题,该方法具有比传统射线类方法更优的反演成像效果。此外,引入整形正则化方法约束反演模型解空间,加快了方法在反演过程中的迭代收敛速度,有利于三维资料处理中计算成本的降低。在理论角度之外,本文还从实际生产应用角度出发,系统的介绍了三维初至波走时层析成像技术在应用过程中需注意的诸多问题,包括偏移距、初始速度、网格大小、迭代次数、底界高程等关键参数的选取原则,以及反演结果的评价准则,并利用实际三维地震资料进行了反演测试。文中的最后对三维初至波走时层析方法的一些重要认识进行了归纳,总结了论文工作中的不足之处,并展望了未来的研究方向。