本发明公开了一种优化的线束三维观测方法，涉及三维地震勘探的观测系统领域，目的是实现需要在不增加炮点和接收点的条件下拓宽观测方位，包括以下步骤：布设初始三维正交观测系统模板，初始三维正交观测系统模板包括等间距分布的接收线、每条接收线上等间距分布的多个的接收点、等间距分布的炮线和炮线上的炮点；对初始三维正交观测系统模板进行模板变换,得到改进三维正交观测系统模板，变换方法为：保持模板中的接收线位置不动，将炮点分离出接收线外；根据得到的改进三维正交观测系统模板进行模板布设；采用改进三维正交观测系统实现三维观测；本发明观测范围更广、性价比更广的优点。