随着城镇化进程的加快,城镇土地的无序蔓延威胁着整个地区的可持续发展。城镇开发边界作为一种城镇扩张的管理工具应运而生,但是目前对城镇开发边界的定义、划定方法都不统一。如何能将城镇发展需求和环境供给约束相结合,客观全面地模拟出未来城镇扩张的时空动态变化,制定出科学合理的北京市城镇边界划定方法,是亟待解决的关键问题,本研究围绕这一问题开展了以下研究工作。本研究首先通过对国内外城镇开发边界相关研究的梳理,找出问题的切入点。通过理论解析来得到核心研究问题,构建了北京市城镇开发边界模型框架和划定体系。生态安全下的城镇开发边界划定主要需要解决三个问题:城镇扩张的驱动机制,城镇扩张与生态安全的协调和城镇扩张的过程模拟。通过三种技术的集成来解决这些问题:(1)引入地理探测器对城镇用地演化特征及其驱动机制进行系统地分析,揭示社会、经济、自然耦合作用下城镇用地的变化,找到城镇扩张驱动力,建立逻辑回归模型,计算城镇开发潜力,为城镇扩张的模拟提供基础支撑。(2)通过InVEST模型探究历史城镇变化与生态系统的空间相互关系,并对北京市生态系统服务进行评价,构建生态安全参数,作为约束调控城镇开发潜力的因子。(3)通过借鉴FUTURES模型中的斑块参数,建立新的城镇开发边界模型,以此解决城镇扩张模拟中的定时、定量、定位问题,可以从斑块层面无限接近真实空间的形状。通过不同城镇扩张情景的设定,研究北京市城镇扩张的时空变化,并从扩张规模、景观格局、生态系统服务三个方面对情景结果进行对比分析,从而保证城镇布局合理和可持续目标相辅相成,为北京城市未来发展提供借鉴。研究的主要结论有:(1)地理探测器对北京市城镇扩张驱动机制分析来说是一种有效的空间分析方法。(2)生态安全空间的构建有助于保护生态用地提供的生态系统服务功能,以生态安全保护和社会经济发展对未来城镇扩张形成综合约束。(3)借鉴FUTURES模型中的斑块模拟方法构建的BUDM模型对北京地区城镇景观格局模拟效果良好,弥补了传统CA模型对中栅格单元对形状模拟的不足。(4)城镇开发边界模型的构建体现了城镇发展与生态安全相结合的空间属性、控制与引导相结合的功能属性、刚性与弹性相结合的形态属性,为北京市未来城镇发展提供了重要参考。