空间抽样与统计推断是人类认识世界的一种常用手段，被广泛应用于社会经济、资源环境、土地利用和公共健康等领域。随着科学技术的发展和人类生活水平的提高，许多应用对空间抽样提出了更高的要求，需要更加具有针对性的方法。空间插值制图和等级边界划分是生产和生活中较为常见的两个目标。由于地理现象、自然资源、环境状况等受到多种规律和多种因素的影响，在不同的区域，由于主导规律和主导因素的不同，形成了较明显的空间分异，而在具有相同主导同规律和主导因素的区域，又形成了较强的空间相关性。这种既存在空间相关性又存在空间分异性的分层非平稳对象大量存在。本文针对时空非平稳条件下以空间插值制图和等级划分为目标的抽样优化问题展开研究。研究内容主要包括时空分层非平稳区域抽样优化方法、空间非平稳区域等级边界确定抽样优化方法和多目标优化抽样优化方法。分别介绍如下:　　(1)时空分层非平稳区域抽样优化方法:由时空自组织分层方法、空间分层非平稳区域插值制图方法和时空非平稳区域抽样优化方法相互衔接组成。其中，时空自组织分层方法研究如何将时空分层非平稳区域划分为属性内聚、时间变化平稳且空间连续的层;在分层基础上，空间分层非平稳区域插值制图方法研究如何区分层内变异和层间变异、并充分利用边界处层间样本的信息进行无偏最优插值制图;而时空非平稳区域平稳抽样优化方法基于时空分层结果和分层非平稳区域插值制图方法的模型误差，构造抽样优化目标函数，基于模拟空间退火方法实现抽样优化设计。　　(2)空间非平稳区域等级边界确定抽样优化方法:针对空间非平稳区域的等级边界确定需求，利用指示克里金能够有效降低空间非平稳性并能给出基于阈值的无偏最优累积概率估计的特性，研究同时考虑估计值与阈值的接近程度和估计值不确定性的综合错划指数，并结合抽样优化方法，研究基于综合错划指数的等级边界确定加密抽样优化方法。　　(3)多目标抽样优化方法:针对多目标抽样优化求解问题，扩展模拟空间退火优化方法，研究提出模拟空间多路退火多目标抽样优化方法，能够在优化过程中兼顾各个目标改进从而能够得到近似最优解。并以长江口及其邻近海域水体无机氮含量监测为例，将同时提高插值制图和等级边界划分精度作为抽样目标，综合使用时空分层非平稳区域抽样优化方法、空间非平稳区域等级边界确定抽样优化方法和模拟空间多路退火多目标抽样优化方法，完成了加密监测站位的布设优化。