随着城市化进程的加速推进,城市空间扩展正面临众多的复杂问题。为了满足城市化的快速发展和日益增长的需求,城市呈现出越来越强的立体化趋势。在城市体量不断增长的背景下,城市结构在水平方向上的空间形态已不能满足研究的需求,从三维的角度研究城市形态把握城市空间扩展的规律,充实城市扩展的理论变得更加重要。本论文以三维城市空间为研究对象,构建指标体系描述三维城市空间形态的演变,探索三维城市扩展的客观规律和动力因素,并结合CA和MAS模型以大连市主城区为例模拟了城市三维空间的扩展变化,为城市空间研究向高维扩展提供些许借鉴意义。论文的主要结论有:(1)通过网络开放数据、遥感高分辨率影像和立体像对数据的综合运用,解译出城市土地利用分类和建筑轮廓高度数据,为今后的科研提供了更多数据来源。(2)构建了城市三维空间紧凑度指标,结合建筑加权平均高度与体积、城市三维空间扩展强度指标,对大连市主城区三维空间的扩展进行测度,其主要特征为:2012年-2016年所有的建筑类型均表现出显著的三维扩展趋势,其中商服建筑以向高层建筑扩展为主,工业建筑以向外围扩展为主,而居住建筑数量有较高增长;三维紧凑度较高的区域呈轴向延伸和组团式聚集;主城区体积扩展强度较高的部分主要在中山区的北部以及沙河口区的东部和西部等,体积扩展强度较低的区域则主要集中在西岗区的中部等。(3)基于约束Logistic回归的CA模型和MAS居住需求模型的耦合模拟了主城区的三维空间扩展。模型中通过CA层确定城市二维扩展的位置,Agent层计算建筑的高度。以地块为单位,通过模拟结果与实际结果中相同地块内建筑密度及建筑体积的对比来检验模拟的精度,认为该模型的拟合效果较好。在此基础上对2020年城市三维空间的扩展进行预测。