随着全国油田勘探开发的不断深入,目前整个油气的勘探目标转向深层和外围更复杂地质条件地区,同时也提出了高精度速度建模、精确成像、反演参数提取分析和综合地震地质解释等更高的要求,为此急需地球物理技术,尤其是精确的反演成像技术的进步。精确速度模型的建立是一切高精度地震成像、反演及解释等勘探技术的前提。其中近地表构造复杂,速度的精度更是直接影响勘探区域的地震资料静校正、速度分析以及最终成像的效果。当前对近地表浅层的速度建模策略是用常速或折射层析反演速度替换,难以刻画复杂近地表结构的速度变化,进而会影响到深部地层的成像准确性。因此常规的速度分析手段很难察觉低速夹层及构建复杂近地表的精确速度模型。全波形反演(FWI)方法基于波动方程理论能够对近地表模型进行准确描述,能够克服射线追踪中的射线偏折及多次反射等问题,同时也能揭示复杂地质条件下的构造细节及岩性变化,是一项高精度、多参数建模的技术。为实现精确速度模型的波形反演,本文在前人研究基础上,详细分析了波场正演模拟过程,对波动方程有限差分中差分误差产生的原因,差分方程稳定性条件以及边界条件等问题进行了理论研究,并采用高阶交错网格有限差分算法提高了数值模拟精度;采用了有效存储边界及最佳完全匹配吸收边界条件,在避免因边界反射带来的波场干扰的同时节省了计算机内存空间;在此基础上,选择满足稳定性条件的时空步长,避免差分求解的不稳定性,最后对比研究了几种因素对速度建模全波形反演的影响,寻找建模经验参数。通过上述方法,实现高质量的有限差分数值模拟,同时利用基于CPU/GPU异构框架进行CUDA编程,提高了计算的时效性,通过共轭梯度法实现了速度模型全波形反演,使速度快速收敛,完成了近地表速度模型的精确建立。