地球物理学领域的早期研究基本上都认为地球介质是各向同性的。然后近年来越来越多的理论研究和野外勘探已经证实,地球介质普遍具有各向异性特征。假如不考虑各向异性,那么叠加和垂直速度就会存在差异,进而导致偏移深度产生偏差,而这会严重影响介质内部以及倾斜反射层下方的成像精度和效果。此外,伴随着野外地震采集能力的提高,长偏移距以及宽方位角的三维地震数据资料采集得以普及,各向异性对地震勘探研究产生了愈发不可忽略的影响。传统的基于各向同性介质假设的偏移成像和速度建模很难满足对于复杂构造和区块精确成像的需求,开展关于各向异性速度建模的研究是非常有必要的。本文首先阐述了开展各向异性反演方法研究的意义,然后从经典的各向异性理论出发,介绍了各向异性介质的特质,着重讨论了VTI介质的参数化方式及群、相速度的表示形式。然后由正过程出发,通过Taylor级数展开得到模型参数扰动与对应旅行时扰动的线性关系式,以此构建了VTI介质层析方程组。然后基于P波相速度,令剪切波速度为零,推出VTI介质层析反演方程组的具体表达形式。采用高斯波束射线追踪法作为射线追踪方法提供射线路径,并通过各向异性高斯波束偏移得到角道集(ADCIGs),并采用LSQR算法进行反演方程的求解。接下来,基于各向异性参数敏感性分析,对单参数反演中的常规顺序反演策略进行了改进,根据参数扰动在不同传播角度上引起的旅行时误差分析,提出了基于角道集的角度约束反演策略;针对联合反演中各参数对旅行时贡献值差异较大而引起的精度较低、不稳定的问题,引入了归一化矩阵优化反演方程,反演策略上采用三步法。在最后,通过几个理论模型试算,进一步优化了反演流程,证明了该方法是准确并且稳定的。