在综合分析国内外土地利用变化及其发展趋势的基础上，以北京作为案例区，研究了大城市扩张的耕地占用过程、由此导致的土地利用格局变化及其调控对策，主要研究目标包括：揭示研究区土地变化规律及驱动机制；模拟研究区城市扩展过程中的土地利用变化格局和不同情景下的未来趋势；分别对城市扩展的环境效应以及耕地流失的资源效应进行评价；应用土地利用格局变化及效应模拟模型评价城市发展政策，为区域土地利用空间格局优化提供决策支持。主要研究内容可概括为四部分：格局-过程-驱动力分析(第二、三章)、土地变化空间模型(第四章)、环境/资源效应评价模型(第五、六章)和基于格局一效应模型及政策评价的优化决策(第七章)。格局-过程-驱动力分析是构建空间模型的基本前提，空间模型和环境/资源效应评价模型的连接则是空间优化决策分析的重要基础，体现了参与式方法(模型的合理性论证、情景分析等)在LUCC模型中的综合应用，建立了融资源演变-驱动机制-环境效应-调控对策为一体的系统综合研究框架，可为适应性土地资源管理提供技术支持，具有重要的理论和实践意义。主要工作和创新之处在于ANNs-GIS空间模型的发展应用和基于格局-效应模型及政策评价的土地利用优化决策分析。 主要研究方法和成果(结论)如下： (1)格局-过程-驱动力基础分析运用GIS技术、数理统计以及景观格局指数模型方法，分析了1996-2004年问北京耕地流失和城市扩展的时空动态与景观格局特征，采用定性和定量相结合的方法，着重分析了经济社会发展等人文因素对城市空间扩展和耕地数量流失的驱动作用。 结果表明：1996-2004年北京土地利用变化中，大多数地类转换都与耕地直接有关，耕地流失是北京土地利用变化的核心问题；城镇扩展主要占用耕地，且耕地生产力高的平原地区因建设占用而流失的耕地量大；远郊山区耕地被建设占用的压力相对较小，但被生态用地占用的压力相对较大；人类活动对区域耕地利用强度和格局的影响十分明显，耕地破碎化程度呈加剧趋势；地形和交通状况对耕地的空间变化过程也有显著影响。城市近郊区城市空间扩展强度最大，景观组分相对丰富而景观破碎度最大；扩展强度最弱的为远郊山区，景观组分相对单调而景观破碎度最小；远郊平原区及半山区的情况介于近郊区和远郊山区之间。北京城市空间扩展表现为城市郊区化和郊区城市化两个方面，其中城市郊区化的驱动力表现在交通干线的延伸、工业扩散、开发区建设、住宅郊区化：郊区城市化的驱动力则主要包括卫星城、建制镇建设以及乡村非农化的发展。居民收入水平提高对北京耕地流失的解释力最强，而这与第三产业的快速发展带来的更多就业机会与住房需求密切相关;人口快速增长、区域土地市场过度竞争、农业结构调整及退耕还林政策也是北京耕地流失的重要驱动因素。 (2)土地变化空间模型发展了基于BP人工神经网络(ANNs)和GIS的土地变化综合驱动力模型，并设置不同的政策情景，将北京六环以内区域作为试验研究区，实现了基于ANNs-GIS模型的城镇用地空间格局模拟。 结果表明：ANNs-GIs模型模拟效果优于传统的logistic回归模型，达到了比较理想的精度。随着生态限制性因素的增加，城市布局形态趋于集中，对耕地和生态用地占用趋于减少；第二道绿化隔离带和基本农田保护对促进城市内涵式发展、促进新城轮廓的形成以及优化土地利用生态安全格局作用明显。不同情景模拟结果揭示了不同约束条件下土地利用格局优化的可能途径，为土地利用空间格局优化研究提供了新的模拟思路。 (3)效应评价模型构建北京市域的长期水文影响(L-THIA)模型，模拟了长时间段内以城市扩展为主要特征的土利用变化对水文过程以及城市非点源污染负荷的宏观影响态势，为土地利用空间格局优化提供数据和技术支持。结果表明：L-THIA模型水文效应模拟揭示出耕地向建成区(主要为商业用地和高密度住宅区)的转化带来的不透水层增加是导致城市径流量变化的重要原因；城市用地、建制镇用地和工矿用地单位面积产流量远于其他用地；非点源污染负荷模拟较好地揭示了城市扩展过程中非点源污染来源与贡献，发挥了所需模型参数少、效率较高的优点，通过GIS的栅格数据空间分析功能实现了区域非点源污染的分布式模拟，识别了非点源污染的关键源区。 构建质量加权耕地损耗系数模型，分析耕地流失的资源效应，研究了各区县城市扩展占用耕地的质最结构，分析了耕地损耗和城市空间扩展强度的相互关系及其空间分异规律，探讨了未来城市空间扩展的合理方向。结果表明：1996-2004年，市域1级耕地面积减少面积最多，呈远郊平原区-近郊区-远郊半山区-远郊山区递减的规律，从耕地减少强度来看，1996-2004年市域1级和2级耕地减少强度最大，优质农田损失明显。城镇用地在各区县的空间扩展强度与质量加权耕地损耗系数呈正相关；以质最加权耕地损耗系数为依据，结合城市发展政策和生态因素的限制作用，得出未来北京城市用地扩展的合理性排序为：平谷＞大兴＞房山＞通州＞顺义＞昌平＞延庆＞密云＞怀柔＞门头沟＞海淀＞丰台＞朝阳＞石景山，即北京城市建设重点应从土地利用强度最大的近郊区向远郊平原区和远郊半山区转移，这与“实现两个战略转移”和在远郊平原区发展“重点新城”的战略方向相一致。 (4)基于格局-效应模型及政策评价的空间优化基于ANNs和GIS，建立多种约束条件情景、多空间尺度(市域尺度、区县尺度)的城镇用空间格局优化模型，对模拟结果进行形态合理性评价(形态紧凑型指数)、环境效应评价(L-THIA模型)和资源效应评价(质量加权耕地损耗模型)，并将优化模拟结果与生态用地分布以及城市总体规划确定的中心城-新城范围、第二道绿化隔离带规划边界等进行对比，提出基于不同绿色空间管制情景对比分析的土地利用优化方案。 结果表明：从土地利用的生态目标和环境目标看，最大限度的保护生态用地、在构建区域生态安全格局的基础上合理安排城镇用地布局是北京未来城市土地利用格局优化的最佳选择。市域城镇用地模拟结果表明生态保护措施对促进城镇土地集约节约利用和格局优化具有重要作用，随着生态限制性因素的增加，城镇用地将呈现“分散集团式”多中心协调发展的趋贽。六环以内地区的城镇用地模拟基本上代表了以中心城和近郊区为核心的城镇用地的优化过程，海淀区城镇用地模拟，从较微观的层面探讨了更加详细的土地利用优化思路，同样显示生态保护在促进土地利用格局优化的重要作用。较大空间尺度的模拟结果印证了“多中心”及“新城”空间战略的正确性。“多中心”及“新城”空间战略的实现必须依托于禁止建设区、第二道绿化隔离带、基本农田、林地和水面的限制作用，其中第二道绿化隔离带和基本农田是最敏感也是最关键的生态控制区域。 综合市域尺度、六环以内地区尺度以及区县尺度的优化模拟结果评价，为城市总体空间战略和城市用地格局、耕地和基本农出空间格局调整提出了可供选择的优化方案和重要启示。无论是土地利用变化时空格局，还是城市扩展与耕地流失的资源、环境和生态效应，都有着明显的区域差异，可按首都核心功能区、城市近郊区、远郊平原区、远郊半山区和远郊山区进行分区和土地利用优化引导。