随着油气地震勘探目标日趋复杂化和精细化,高密度、高覆盖和宽方位地震数据采集的应用越来越广泛,致使采集时间越来越长、勘探成本越来越高。在保证数据采集质量的前提下,基于地震数据的稀疏表示基本理论开展了高效采集方法理论研究,建立了一套地震数据高效采集及数据重建理论框架,并取得了一些创新性成果。信号的稀疏性在信号压缩与图像处理领域得到了广泛应用,也为地震数据高效采集理论奠定了基础。深入分析了基于Nyquist采样定理的常规地震数据采集方法存在的问题,并根据地震波场满足的数学物理定解问题解的一般表示式揭示了地震数据具有稀疏性的根本原因。接着,在稀疏性先验信息的指导下,对地震数据的高效采样方法进行了探索研究,提出了具有“蓝色噪声”频谱特征的优化的分段采样方法。在此基础上,发展了稀疏约束的地震数据重建方法,对具有双曲走时特征的地震数据还构建了稀疏约束和双曲Radon变换相结合的高精度重建方案。地震数据的稀疏性表示理论、稀疏约束下的高效采集方法以及稀疏约束下地震数据的重建方法在本文中都得到了改进,构成了相对完善的地震数据高效采集理论。在上述高效采集理论的指导下,论文又开展了高效采集的具体实施策略研究。首先,利用前述稀疏约束的随机采样方法改变炮点和检波点在常规测网中规则密集的布置方案,提出了高效采集测网设计方法。根据震源激发形式的不同,提出了基于单源的高效采集方法和基于多源的高效采集方法,两类方法的不同之处在于前者使用的是单源激发方式,而后者使用了当前国际上正迅速发展的多源激发方式。高效采集地震数据是一种在不规则、大间距分布测网上的地震数据,必须重建为常规规则密集测网上的数据才能按照现有的处理手段进行后续处理。根据本文建立的地震数据高效采集理论中稀疏约束地震数据重建方法,在改进常规多源地震数据分离方法的基础上,提出了上述两类(共六种子方法)高效采集地震数据的重建方法流程。另外,还研究了高效采集数据的直接偏移成像方法,并分析了基于多源的高效采集中多源激发对偏移成像的影响。基于Marmousi模型开展了数值试验,结果表明本文建立的地震数据高效采集方法理论框架对提高当前地震数据采集效率、降低勘探成本具有明显的优势,其中的数据重建方法可以得到高精度重建数据,满足了高效采集数据按照现有的流程进行处理的要求,同时也表明该理论框架具有广阔的发展与应用前景。