地震勘探工区所在的地区地形与地表复杂多变，要么是一望无际的平原草地，要么是荒无人烟的戈壁大漠，要么是沟壑纵横的山地高原，要么是河网密布的水网沼泽，要么是波涛汹涌的浩瀚大海……地表条件复杂多变还不算什么，更关键的问题是地上和地下的构造形态不一样。地面看起来是平的，但地下可能异常崎岖；此处是高山，换一个地方可能就是峡谷。显然，要利用地震资料对地下地质构造进行连续成像，需要对勘探方式和各种参数进行反复试验，如震源怎么激发？是采用炸药震源还是可控震源？震源使用多大的能量才能激发出能够传播到足够深度的地震波？检波器怎么布设？是单点接收还是组合接收？检波器如何排列才能接收到足够多的地震反射波？
此外，在地震资料采集中所使用的各种设备、材料、人力资源都相当昂贵，导致地震勘探的成本很高，如何以最低的成本获得满意的地震资料也是必须面对的问题。要解决以上问题，必须针对勘探目标对地震勘探的方法、方式和各种参数进行反复试验和精心设计，形成合理的地震观测系统，这就是地震观测系统设计。
狭义的地震观测系统指用于描述地震测线走向和激发点与接收点之间的相互位置关系。广义的地震观测系统还包括各种设备、材料、人员安排等与地震勘探施工相关的所有事项，其目的是获得理想的地震成像效果并有利于后续地震资料的处理。为实现这一目标，在设计地震观测系统时应遵守三个原则：一是尽量根据地质构造特征部署测线；二是测线尽量保持平直；三是激发点与检波点的密度要能确保目标地质体不被漏掉，同时还要求分布尽量均衡。在理想情况下，地震工区通常被设计成正方形或矩形，地震测线尽量布置成网状，将地震测线划分为主测线和联络测线两种类型，主测线垂直于地质构造的长轴，比较短；联络测线垂直于地质构造的短轴，比较长；激发线和接收线一般情况下要尽量互相垂直。之所以采用这种方式，其目的是期望地震观测尽量满足水平层状介质假设。
不同类型的地震勘探对应着不同的观测系统。根据地震勘探类型可分为二维观测系统和三维观测系统。在二维地震勘探中，通常以二维地震测线为单位，采用二维观测系统进行观测。二维观测系统由一条或多条二维测线组成，每一条测线的观测都是独立进行的。一般地，二维测线应尽量平直，激发点和接收点都位于这条线上。不过，当地形异常崎岖或工区中存在障碍物时，很难使地震测线保持直线及规则网状分布，于是需要对激发点或接收点进行适当移位，允许测线出现弯曲，并允许激发点和接收点不在一条直线上。如在黄土塬地区，由于在塬上激发会使地震波向四周发散，导致下传的地震波能量小，所获得的地震资料的信噪比比在冲沟中激发要低很多，因此在实际勘探中通常沿着冲沟布置测线并允许激发点和接收点分布在一个窄的条带内。
沿二维地震测线进行观测仅能得到测线所在位置的垂直断面上的地质信息，限制了地震成像的范围甚至会影响到地震资料的质量。为了获得更精确的地下三维空间的地质信息，需要采用三维观测系统进行地震观测。三维观测系统由激发点所组成的激发点线和接收点所组成的接收点线组成，在观测时按特定顺序进行激发，并同时采用来自多条接收点线上的检波器同时接收。
二维和三维观测系统是两种最基本的类型。除此之外，还可根据地震工区的地理条件和施工方式不同将地震观测系统划分为陆地观测系统、海洋观测系统和海陆过渡带观测系统。在海洋地震勘探中可以将检波器放置在海面或海底，因而可进一步将海洋观测系统划分为海面观测系统和海底观测系统。其中，在海面观测系统中，激发点和接收点都布置在海面上，由专用地震勘探船拖拽着激发设备（一般为空气枪或电火花震源）和接收设备（用电缆连接的检波器串）在行进中进行激发和接收。与海面观测系统不同，海底观测系统的接收点布设在海底并用电缆连接起来（激发点仍然布设在海面）。
海陆过渡带观测系统是为适应特殊地理条件而设计的。海陆过渡带地震勘探工区一部分位于陆地上，另一部分位于海上，因此原则上在不同区域应采用不同的激发和接收方式，即陆上部分采用陆地观测方式，海上部分采用海洋观测方式。但由于海上部分水体较浅，在实践中尽量向陆上观测方式靠拢，比如在水深不超过3米时，可采用经改装的炸药震源和与陆上勘探较相似的海底电缆观测方式，这样可尽量使不同区域的地震波激发能量和所接收的地震信号的信噪比一致。
设计并采用合理的地震观测系统和采集参数是地震勘探成功的前提。要设计一个能够满足地质目标勘探要求的观测系统，除了确定测线走向、激发点与接收点位置、覆盖次数外，还需要通过理论分析和现场试验的方式确定合理的激发参数和接收参数，以获得良好的地震观测效果。