改革开放以来,中国进入了一个城市化快速发展的时期,大中城市在二维蔓延式扩张的同时,垂向伸展态势也越发明显。当前,仅从二维平面角度着眼研究城市的扩展和城市形态的演变,而忽略城市垂向的伸展和用地强度的变化,在一定程度上影响了对城市空间扩展、土地利用变化和城市空间形态变化规律的认识。本文在梳理相关研究的基础上,对城市空间二维扩展研究方法进行拓展,形成城市空间多维扩展的研究方法。在方法研究的基础上,以南京市作为实证研究对象,以土地利用为切入点,从多维视角全方位分析城市空间扩展和城市空间形态演变的过程、格局和机理,深化对城市空间多维扩展规律的认识,并通过扩展后城市土地集约度的微观评价分析城市多维扩展的合理性,提出未来城市空间多维扩展的建议。通过本研究,期望拓展城市空间扩展研究的视角,全面把握城市空间扩展规律,为科学的城市规划与土地利用规划提供依据。本文针对城市空间多维扩展科学问题的解答,以南京城市扩展为例构建了城市空间多维扩展分析的方法体系,主要结论概括如下:(1)提出了符合研究区实际的,采用中分辨率遥感影像,应用基于知识与规则的分层信息提取法大范围、快速、准确提取土地利用分类信息的方法与流程;(2)基于高分辨率遥感影像,改进了提取建筑轮廓和建筑高度的技术方法,对南京城市建成区垂向结构进行了数字重建,提出了基于"分层分类"与"对象分割"的城市内部土地利用空间结构数字重建方法;(3)在城市二维空间扩展研究中,集成了 GIS二维空间分析模型和方法,深入挖掘了转移矩阵在土地利用演变分析中的应用方法;将城市重心迁移、城市分形分维、土地利用转移矩阵等研究方法从二维拓展到了三维,并建立了基于格网的城市三维形态变化量化分析指标体系和分析方法;(4)在城市空间多维扩展关系的研究中,引入了受限的voronoi图、"建筑占地面积—建筑高度"图等研究方法,并提出了体积增长贡献率的概念用以划分城市空间多维扩展所处的阶段;(5)将神经网络模型引入到基于用地功能区的城市土地集约利用评价中。在构建的城市空间多维扩展研究方法体系的支持下,开展了南京城市空间多维扩展分析,主要结论如下:(1)南京城市二维空间扩展的时间变化与空间分异特征明显,城市扩展在逐渐从快速蔓延式向注重内部结构优化和整合的内涵式扩展方式转变;(2)1980—2012年,南京城市建成区处于迅速扩张之中,其中耕地向城市建设用地的转变是这一时期主要的地类流转方式,除城市内部地类外,地类转移无序度都较小,土地利用演化较为有序,土地利用结构逐渐向均衡状态发展;(3)南京城市处在不断地更新与改造过程中,城市空间三维扩展的趋势越发明显,南京市高层建筑在2000年后一直保持着较快的建设速度,城市天际线起伏变化明显,近12年来三维重心的移动方向经历了从东南到西的转化过程;(4)借鉴遥感多维特征空间分类方法,对各城市形态三维量化指标进行了综合分析,将城市三维形态划分成了6个分区,各分区面积显著扩大,分区由圈层结构向相互穿插方式演变;(5)用地类型和用地强度存在着一定的关系,近12年来,住宅用地和商业用地容积率增长最快,在城市扩展过程中,新增建设用地的容积率也保持在相对较高的水平;(6)2000—2012年,南京城市形态在从弱金字塔型向穹隆顶阶段过渡,12年间经历了平面扩展发力—增速—放缓和内部挖潜适度—放缓—发力的过程;(7)30余年来,南京市二维空间和三维空间都处在不断扩展中,从扩展后的集约用地状况来看,目前土地利用总体集约度良好,呈现从核心城区向外围集约利用度逐渐降低的趋势,商业功能区总体呈现较高的集约利用状态,居住功能区、教育功能区总体呈现集约利用状态,工业功能区集约度相对较低;(8)南京城市土地利用潜力较大,规模潜力主要分布在浦口区、栖霞区和江宁区,主城区内规模潜力较小,通过潜力分析,对城市用地挖潜进行了时序配置,并提出了相关调控措施。论文的创新点主要为以下几方面:(1)基于"多维"视角,创新了城市空间多维扩展的研究方法,将城市二维扩展研究模型扩展到三维并改进了某些研究方法的应用;(2)对南京城市空间多维扩展的格局、过程、机理和效益进行了深入的分析;(3)进行了城市多维时空信息数字重建技术创新。