本发明公开了一种基于地球物理模型的随机采集观测系统设计优选方法，首先提取目标区层位的地球物理参数信息；再利用建模软件建立三维的典型综合地质模型；然后设计观测系统2种方案：规则高密度和随机采集方案，最后采用上述观测系统参数利用模型进行正演模拟获取单炮，再处理获取偏移剖面，最后对比效果，若达不到要求，重新设计观测系统再来一遍，直至满足要求。本发明克服了以往随机采集中仅利用感知矩阵最大互相关值作为约束的局限，综合考虑地质任务和地质模型，用正演模型的成效效果评价随机采集观测系统方案，优选出最终的成像效果最接近理论模型的采集方案，确定最佳的基于地质模型的随机采集的观测系统方案。