全波形反演(FWI)是地震资料处理中速度建模的有力工具，相比层析成像和偏移速度分析等传统的速度建模方法，它能反演得到更精确、更高分辨率的深度域速度场。FWI的核心组成是地震波模拟和反演优化算法，为了提高FWI的效率和适应性，本文将基于非结构化网格的格子法和L-BFGS拟牛顿优化算法应用到了时域全波形速度反演中，并发展了适用非结构化网格的GPU加速算法;为克服局部极小值问题，本文给出了多尺度和变网格的反演策略;实际问题中，震源是未知的，因此本文研究了子波估计和数据零相位化方法以贴近生产。主要研究内容包括：　　⑴格子法是一种基于非规则、非结构化网格的地震波模拟方法，其核心是将波动方程的积分平衡式采用差分法离散计算，因此具有差分法的计算高效性及有限元方法的灵活性适应性。为了提高格子法的工业化应用价值，本文研制了基于CVDT方法的非结构化三角网格剖分软件，该软件能够实现网格尺度随速度参数自适应变化，以减少网格单元，提高计算效率;并能对网格进行优化，以改善格子法的数值频散。　　⑵GPU的硬件架构特别适合处理数据并行且具有顺序存储结构的数值计算，因此基于规则网格的地震波模拟方法较容易实现GPU加速。而基于非结构化网格的数值计算方法，其数据结构是散乱存储模式，且计算过程存在耦合，因此具有合并访存和竞态条件方面的难题，格子法的GPU加速也存在这些问题，为此，本文采用了原子操作和图着色算法解决了竞态条件问题，并进一步发展了“扩散着色”这一新技术，并基于该技术研究了一套新的网格单元及节点编号重排方案，以增加数据合并访存和数据共享，从而大幅减少数据访存时间，这一系列加速方案的组合运用使得格子法GPU算法相比CPU算法效率提高了二十倍，这对基于非结构网格的这一类数值算法具有重要参考价值。　　⑶将格子法应用于FWI，与基于规则网格反演相比，采用非规则、非结构化网格能够在保证反演精度的同时，有效地减少待反演的模型参数，参数的减少助于提高反演问题的适定性和减少反演迭代次数。变尺度网格与多尺度反演策略相结合，能实现离散网格与速度更新值的空间匹配，更好地克服局部极小值问题，且能避免规则网格反演方法中可能会出现的数值频散。　　⑷考虑实际资料的处理情况，地震子波都是未知的，而子波对于地震波形影响很大，子波问题解决不好，FWI就无法得到可靠的反演结果。本文测试了一种零相位子波估计和数据零相位化相结合的处理方案，即提取地震数据的振幅谱包络以构建零相位子波，利用Varimax范数进行数据零相位化处理，在此基础上进行全波形反演。