全球和全国范围内可持续空间发展正受到严重挑战,并成为可持续发展的重大威胁,只有通过科学规划正确引导空间发展,才能实现可持续发展目标。《中共中央国务院关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》指出国土空间规划是国土空间发展的指南,可持续发展的空间蓝图,是推进生态文明建设、建设美丽中国的关键举措。国土空间规划是谋划形成全域全要素、陆海统筹、区域协调发展的国土空间开发保护格局,是贯彻生态文明思想和新发展理念的重要途径。面向可持续发展战略和国土空间规划的现实需求,开展国土空间优化建模研究具有重要的理论和现实意义。本文从全球和全国可持续空间发展正面临着挑战的背景下探索新时代国土空间优化的建模概念框架和关键技术,从模拟模型与优化模型两个方面开展多重耦合的国土空间优化建模,以武汉市和长江经济带为例进行了实证研究。首先,本文提出了一个耦合“自上而下”和“自下而上”的城市动态模拟模型,可用于实现城市动态模拟过程中城市用地增量的空间格局分布的微观约束,显著提升了模拟的精度与准确性,可辅助于城市尺度的国土空间优化建模。其次,针对现有优化模型难以适用于新时代国土空间规划的实践,本文耦合资源环境承载能力评价与国土空间开发适宜性评价（简称“双评价”）和空间优化算法来划定多情景的城市增长边界。最后,针对现有模型难以适用于区域尺度的国土空间优化,本文耦合生态优先理念提出了一个面向生态保护的土地利用优化模型,该模型可实现预设的优化目标以及跨行政区域的土地利用协同优化,并可用于区域尺度下多目标国土空间优化。主要研究内容与结论如下:1、阐述新时代国土空间优化建模的概念框架,为新时代国土空间优化建模提供指导。（1）从全球与全国视角来分析可持续国土空间发展均面临严峻挑战,新时代的国土空间优化应遵循四大基本理念:生态优先、节约优先、集约发展、协调发展;（2）方法论层面,国土空间优化本质是一个多要素、多目标、多主体的空间布局优化问题,技术提升的关键是定性描述的理念、目标等进一步以指标的形式定量化,并将理念、目标等转化为模型的优化目标函数、约束条件和运行规则,进一步协调各优化目标函数间的冲突,并提出了一个多重耦合的国土空间优化建模框架;（3）技术层面,新时代国土空间优化模型继承了地理模拟与优化系统理论与技术,更侧重于新时代国土空间优化理念、目标等与地理模拟与优化技术的深度融合。2、耦合“自上而下”和“自下而上”的城市动态模拟模型。（1）本文提出了一个耦合“自上而下”和“自下而上”的城市动态模拟模型（S-CMM-CA）来协调城市动态模拟中的宏观需求和微观分配问题。（2）该模型由宏观控制和微观分配两部分组成,其中宏观控制是基于城市用地密度分布的反S型规则来预测未来城市用地密度分布的宏观特征,微观分配是利用预测的城市用地密度分布的宏观特征分布的城市用地增量基于最大概率转换规则进行空间分配,从而实现城市用地增量的空间格局分布的微观约束。（3）以武汉都市发展区为案例区来验证提出的模型的表现,结果表明,该模型不仅可以保持模型模拟的微观精度,而且可以更好地模拟未来城市动态变化的宏观形态,同时在城市的次中心和边缘区域得到更加客观的模拟结果。（4）提出的模型还可以通过控制反S型函数的参数来模型不同发展情景（紧凑型、蔓延型和稳定型）下的城市用地动态变化。3、耦合“双评价”与空间优化算法划定多情景城市增长边界。（1）本文耦合“双评价”提出了一个多目标与约束下的国土空间优化模型,生成了武汉市的多情景城市用地格局,并划定了相应的城市增长边界（UGBs）。（2）资源环境承载能力分析评估分析了每个子区的资源环境承载的类型,提出的修正机制用来协调城市增长与资源和环境承载力之间的关系,并将其量化为空间优化算法的宏观约束,城市用地增量的空间格局分布的微观约束嵌入至优化模型以提升模型的性能。（3）国土空间开发适宜性和城市景观紧凑度转换为空间优化算法的优化目标;（4）修正的蚁群优化算法来协调多目标间的冲突。结果表明,提出的模型可以最大限度地维持了区域可持续发展并协调了各优化目标间的冲突,该模型在中国正实施国土空间规划背景下,具有广泛的应用前景。4、耦合生态优先理念的区域国土空间优化建模。实现区域尺度跨行政区域与多目标管理的土地利用协同优化对保护区域的生态环境系统具有重要的意义。（1）本文耦合生态优先理念提出了一个面向生态保护的土地利用优化（FLOE）模型。（2）FLOE模型不仅显著地提升了生态要素指标在土地利用优化模型中的控制能力,相应的优化目标也能以动态反馈机制的方式嵌入至FLOE模型以优化区域的土地利用格局。（3）以长江经济带2010-2015年的土地利用变化来验证FLOE模型的表现,结果表明提出的FLOE模型能够显著地降低生态系统服务功能的损失,并应用该模型优化了长江经济带2030年的土地利用格局。（4）提出的模型可用于区域尺度下多目标国土空间优化。本文从可持续发展背景下新时代国土空间规划的需求出发,探索新时代国土空间优化的建模问题,阐述了新时代国土空间优化建模的概念框架与关键技术,从城市尺度与区域尺度提出了相应的国土空间优化模型,分别以武汉市和长江经济带为研究案例区论证了提出的国土空间优化模型的实用性,研究成果不仅丰富了新时代国土空间优化建模的理论框架,而且拓展了新时代国土空间优化模型的理论方法,同时可辅助于新时代国土空间规划的实践。