城市空间形态是从空间的角度研究城市演化的状态、形式及其相关影响因素。自改革开放以来，随着国民经济的高速发展，中国城市进入了快速发展时期，作为城市化发展的直接结果，城市空间形态也发生着相应的剧烈变化。　　 城市空间形态演化过程具有高度的复杂性，元胞自动机作为一种时间和空间上都离散的系统动力学模型，充分体现了“简单子系统可相互组合形成复杂巨系统”的精髓，特别适用于模拟具有复杂时间和空间特征的地理系统，已逐渐成为研究城市空间形态的一种重要工具或手段。　　 本研究在总结国内外相关研究的基础上，详细分析了基于元胞自动机(CA)的城市空间形态相关概念和理论基础，侧重于从元胞自动机在城市应用与扩展的研究角度出发，基于遥感(RS)、地理信息系统(GIS)数据平台，采用空间分析为主要研究手段，对长沙都市区空间形态进行实证研究，分析其空间形态演化的轨迹及机制；随后，从城市规划角度，扩展了标准CA模型，通过引入全局性发展概率和单元发展适宜性，采用基于逻辑回归方法来挖掘元胞转换规则，构建基于元胞自动机的城市空间形态增长模型，对长沙市城市空间形态进行实证模拟并预测其未来城市发展形态；最后，在增长模型的基础上，增加发展密度和城市形态因子，进一步构建城市空间形态优化模块，通过设定不同情形下的城市发展方案，通过比较分析，从而寻找出未来长沙市相对合理的城市空间形态。　　 研究结果表明：长沙市按现有城市发展趋势，至2030年城市可用建设用地将趋于紧张，且生态环境得不到有效的保护，宜采用优化模块中“多中心高密度/慢速衰减”的可持续发展方案。