全波形反演（Full waveform inversion:FWI）理论旨在利用地震波传播的运动学和动力学特性定量解译地下介质参数。然而,FWI是一种非线性性质极强的模型参数逆向重建问题,在初始输入不准确、数据频段缺失的情况下极易陷入局部极值,无法得到全波数反演结果。本论文采用理论分析与数值测试相结合的方式开展高精度反演方法理论研究,从本质上探索空间波数的影响因素,进而有针对性地对不同波数信息进行恢复,获取最终的高精度参数模型。空间模型波数的连续性是决定分辨率的主要原因。本文从平面波理论出发推导了基于入反射波场重建的波动方程反演中偏移分量和层析分量的波数覆盖公式,定量分析了两种分量的波数覆盖范围。最终指出数据频带宽度、观测系统设计、波场类型、目标体埋深以及它们之间的相互关系是影响波数连续覆盖的重要因素,这对高精度反演方法的实施有指导性作用,本文据此理论分析开展相应研究。首先从频率的角度出发,以包络反演为理论前提,为FWI构建大尺度背景速度结构。分析了地震数据与其包络信号之间的二倍带宽关系,指出数据频带越窄包络反演结果越稳定;根据能量守恒定律证明了信号频谱移动包络形态的不变性,有效建立了低频信号与高频信号之间的内在联系,提出了频移波形反演方法。频移反演方法可以同时提供含低频信息的伴随震源和Fréchet微商,使梯度场中的低波数成分更加丰富,提高了反演稳定性。通过一系列数值测试证明了本文提出的频移波形反演比包络反演更加有效。反射波反演（Reflection waveform inversion:RWI）利用反射路径中的极低波数成分来降低FWI对低频和长偏移距数据的依赖。本文提出了弹性反射波反演方法,为了规避不同波型耦合效应带来的波路径重叠问题,进一步发展了解耦弹性反射波反演,利用解耦弹性波方程将纵、横波传播路径分离开来,尤其提高了横波速度的反演精度;随后,在上述RWI的基础上,基于非线性Born正演算子提出了层间多次反射波反演,利用多次波信号拓宽了传统RWI的波数覆盖范围,填充了中波数缺口。Sigsbee2A和复杂Marmousi模型测试验证了所提方案的正确性和应用潜力。最后提出了一种全新的广义层间多次波反演方法。该方法借助广义层间多次波成像把层间多次波逐级分离形成层析分量或偏移分量;低波数更新量可直接通过数据残差与反射敏感核的褶积求得;与常规RWI相比,本文提出的基于广义层间多次波成像的反射波反演方法无需进行Born正演计算,避免了RWI梯度更新量中由下行波泄露引发的高波数偏移分量,使低波数更新更加稳定;此外,该策略完全依赖于数据,在反演中不需要进行子波估计。合成数据测试结果证实了方法的有效性和正确性。