全波形反演基于波动方程全波场数值模拟,是典型的局部寻优的非线性迭代反演问题。全波形反演以观测记录和合成记录的最小二乘不适定作为目标函数,利用了地震中的走时信息、振幅信息、相位信息等全波形的信息反演地下介质参数,具有最高分辨率的特性。本文开展三维标量波全波形反演的方法研究,主要针对三维情况下全波形反演的效率问题,算法精度问题开展研究,总结了全波形反演的优势,并指出了三维全波形反演的难点及解决方案,对三维陆上实际资料的应用进行初步探索。论文第一部分是基础理论部分。从三维标量波波动方程正演模拟出发,推导了时间域三维波动方程表达式,应用高阶有限差分的方法进行数值模拟,分析了影响数值模拟的差分稳定性、数值频散和边界条件等问题。针对全波形反演的非线性问题,分析了不同局部优化算法的优劣,选取改进的拟牛顿算法L-BFGS进行迭代反演。论文第二部分是算法及策略部分。针对时间域三维标量波全波形反演计算量大的问题,设计了CPU+GPU三级异构并行的策略提高计算效率,改进了源波场重建算法大大的减少了巨大的I/O吞吐消耗。在精度方面,提出了不同的梯度预处理的方法提高梯度算子的求取精度并给出了精确子波提取的一些想法。最后,将标量波全波形反演算法进行模型测试并初步应用于陆上资料的实际应用。论文主要测试了复杂的断块模型、经典的Marmousi模型以及三维SEG/EAGE推覆体模型的全波形反演效果,凸显了全波形反演对构造细节的刻画能力,并对三维情况下模型测试的效率进行评估,说明了三维全波形反演的可行性。将三维标量波全波形反演初步用于陆上实际资料,分析了实际资料应用中存在的主要问题,展示了实际应用中三维全波形反演的反演效果。