自LUCC计划启动以来,土地利用/覆盖变化的数学建模一直是学界研究的重点,同时模拟预测也是全球变化生态学的发展主要方向之一,而且许多资源、环境、生态和大气模拟与预测模型都涉及土地利用变化及其空间格局演变信息的输入。然而,地理研究中成功的空间模型仍不多见,关于城市空间结构与土地利用的理论研究,几十年来并没有新的重大突破,这主要是由于与对技术主题的高度关注相比地理学本身的基础理论研究停滞不前所致。鉴于此,本论文与已有的城市土地利用变化动态模拟研究相比较,不仅综合运用了多种土地利用变化模拟预测的技术与方法,同时也非常注重城市空间结构与城市土地利用等基础理论的分析。论文在对国外相关研究和我国已有的城市土地利用变化模拟预测研究成果综述的基础上,结合我国长三角经济快速发展城市土地利用变化剧烈的典型地区,按照格局-过程-机理-模型-检验-预测-情景假设-多方案评价和优化的研究思路,以不同尺度的城市土地利用变化模拟预测为核心,以多种土地利用变化模拟和预测的技术方法为手段,探讨基于不同情景假设下的未来城市土地利用外部扩展和内部演化格局。本文的主要研究内容及结论如下:　　 1、采用景观指数和地统计等方法,系统分析了南京市土地利用变化过程,发现:1986-2008年间南京市城市的景观结构发生了很大的变化,景观的平均斑块面积在增大,分离度在减少,城市的开发向规模化和有序化方向发展。采用空间统计分析的方法,揭示了南京市土地利用空间分布的影响因素:社会经济因子在决定土地利用变化的数量特征方面起主导作用,生态环境因子的限制与历史因素的继承性作用在决定南京市的土地利用变化的空间分布中的作用也不可忽视。　　 2、应用经典元胞自动机模型SLEUTH和改进的CUJE-S模型进行南京市市域土地利用变化模拟,通过Kappa系列指数和一致率差异率分析发现:改进的CLUE-S模型精度检验Kquantiy值显著高于SLEUTH模型的Kquantiy值,但SLEUTH模型的Klocation值高于CLUE-s模型的Klocation值。这主要是由于CLUE-S模型在数量预测方面精度较高,而SLEUTH模型在空间分配过程中综合考虑的地形和邻域因素以及系统自组织特征,确定空间位置的能力优于CLUE-S模型。综合CLUE-S模型和SLEUTH模型各自的优点,在基于元胞自动机的模型中循环迭代过程中不以最大迭代次数作为模型迭代时的终止条件,而是按照由其他模型获得的土地利用变化的单元格数量分配作为模型迭代的终止条件,同时耦合从时间维划分城镇单元不同发展阶段的演化树模型构建的ETCA,通过分区赋值的方式实现元胞自动机模型中微观自组织结构和演化树模型中宏观经济影响因素的有效结合。模拟结果显示:ETCA模型能够有效反映不同城镇的扩展规律,较不考虑宏观经济影响因素的传统CA模型模拟精度提高11.1％。　　 3、基于城市非均质空间扩散理论构建的NHSD模型,分别对南京市城区土地利用变化进行单中心发展假设和多中心发展假设模拟。模拟结果显示:在南京市单中心城市城市发展格局中,人口和工商业活动高度集中于狭小的新街口-珠江路-湖南路中心区内,不可避免地产生了市中心区人口密度过高,城市建成区内工业企业过多,工业区与居住区犬牙交错等现象,导致城市交通、住房和基础设施拥挤,产生一系列的城市环境问题。多中心发展格局有助于避免人口和工业企业过度密集、工业区与居民区混杂的弊端,从而改善城市生态环境,提高人居环境质量。要想获得多中心的城市发展模式,南京市今后发展需要注意的是:(1)适当分散中心城区是城市职能；(2)避免副中心城区与主城的连绵式发展(特别是河西新城区)以及各副中心城区之间的相互连绵,保护好相互之间的隔离带；(3)加强各副中心城区之间的横向联系并做好生活、居住、服务、就业的综合配套,使之不对中心城区产生过多的功能依赖,从而使南京的城市空间结构向片区网络多中心模式的方向发展。　　 4、应用UPLAN模型对南京市典型新区——建邺区土地利用变化进行模拟。根据南京市建邺区总体规划中关于未来人口的预测,区内常驻人口将由2007年的44万人增加到2020年的55万人,通过修改UPLAN模型中默认的参数以适应建邺区当地情况,获得未来建邺区城市土地利用的空间分布格局。UPLAN模型基于规划地块进行逐块分析计算,模型模拟获得的城市土地利用分布格局较为整洁,能够显示出在较短时间尺度内城市总规对城市地表纹理的控制作用。该模型的模拟结果可以为城市土地管理和地块开发提供决策支持。