复杂近地表结构不仅影响地震勘探的激发和接收,使野外采集难以获得较高信噪比的原始资料,而且严重影响地震资料的成像和振幅保真处理,弄清复杂地区近地表速度结构,对于解决采集中的激发问题、资料处理中的静校正问题、波场延拓问题、振幅保真问题都具有十分重要的意义。多年来人们发展了多种表层调查方法,其中一维表层调查方法有浅层折射法、微测井法等,二维和三维表层调查方法有内插法、层析成像法、折射初至方法等,这些方法中的折射初至方法由于能够快速的建立表层模型、而且方法比较容易实现而得到广泛的应用。利用折射初至方法来建立表层模型的方法很多,其中扩展广义相遇法、延迟时法等是比较好的方法。论文在前人研究的基础上,总结了扩展广义相遇法和延迟时法的优缺点,提出了一种求取折射层速度的新方法-广义圆滑法,这种算法受地表影响小,求取的速度精度高;论文提出了一种迭代延迟时法,这种方法收敛速度快,求取的表层厚度准确,通过实际资料的计算表明,这是一种可以较好解决表层低速带结构的算法;论文还提出了一种折射层成像方法,这是一种利用地震资料直接对表层进行成像的算法,这种算法成像的结果可得到低速带结构,并且比较容易实现;综合广义圆滑法、迭代延迟时法和折射层成像方法的优点,最后提出了一种更加有效的算法—成像迭代延迟时法,使用这种方法,求取了多个地区的低速带结构,建立的地表模型,其计算结果较为理想。利用折射初至方法建立地表模型,首先要解决的就是初至波的自动拾取问题。针对初至波的自动拾取有很多计算方法,这些方法对于初至质量好的记录都有着不错的拾取效果,但是随着记录质量的降低,自动拾取的初至可信度越来越差。在复杂地表条件下,初至波往往受到干扰,变化较大,现有的初至波自动拾取方法的精度和速度都无法适应这种情况,在大多数情况下,初至波的拾取最终仍需要人工逐炮对自动拾取的结果进行修改。基于这样情况,文中首次提出了基于边缘检测和边界追踪技术的初至波自动拾取方法。基于上面方法的思想,又首次提出了单道边界检测和样条插值算法来完成初至波的自动拾取。这些方法在实际资料初至波的拾取中取得了令人满意的效果。随着人们环保意识的增强和可控震源技术本身的优势,越来越多的地区开始使用可控震源激发地震信号。但由于可控震源自身的原因,其记录中的初至波不如爆炸震源产生的初至波那样明显,经常会出现“双仞至”和“多初至”现象。这种现象使得可控震源初至很难准确自动拾取。可控震源初至波的自动拾取成为生产中迫切需要解决的一个问题。论文基于可控震源记录中初至的特点,首次提出了适合可控震源初至波自动拾取的方法。论文的主要贡献是:1.首次提出了基于边缘检测和边界追踪的初至波自动拾取方法:把地震记录道或道集认为是一幅图,利用图像处理中的边缘检测和边界追踪技术来拾取初至波。2.首次提出了单道边界检测和样条插值算法的初至波自动拾取方法:根据初至波在单道里面有能量分界的特性,只要能准确确定单道记录能量的分界就可以确定初至波的位置,然后通过样条插值算法把边界确定出来。3.首次提出了一套解决可控震源初至波自动拾取方法:研究了可控震源的初至波的特点,提出了一些解决方法,这些方法中主要是关于相关与能量的改进方法,并在此基础上,首次把全局寻优方法中的禁忌算法和模拟退火算法用到了可控震源初至拾取的问题中。4.提出了广义圆滑法:改进了广义相遇法求取折射层速度的方法,使在地表不规则的情况下也能求取比较准确的折射层速度。5.提出了迭代延迟时法:改进了延迟时法,使求取的表层的厚度更加准确。6.提出了折射层成像方法:在没有任何信息的情况下,能够直接对地震道进行处理,产生叠加剖面,对表层进行成像。7.提出了成像迭代延迟时法:综合了广义圆滑法、迭代延迟时法和折射层成像方法,提出了成像迭代延迟时法,可以求取比较准确的表层模型。