中国是当今世界第二大经济体,改革开放以来经历了快速城市化过程,城镇用地作为社会经济发展的载体,近年来扩展特征明显,在带来巨大经济效益的同时,其无序蔓延也威胁着区域的生态环境和粮食安全。缺乏对城镇空间的合理规划与管理将导致城镇用地盲目向周边摊大饼式的扩延,可能会带来生态系统服务功能衰退、耕地质量下降、土地资源浪费等一系列城市问题。因此,有必要将保护生态环境与保障粮食生产的任务纳入未来城镇用地的布局规划蓝图中,设计出社会、经济、粮食、生态综合效益最大化的空间优化格局方案,以此缓解城市发展与生态保护以及粮食生产之间的矛盾。研究立足于国土空间规划的科学基础,以常州市为研究区,基于多源时空数据,把握研究区城镇扩张时空演变规律,分析历年来城镇扩张过程中的生态环境和粮食安全响应,量化生态空间质量与粮食生产潜力并融入城镇扩张模型,多情景地展现未来城市发展空间布局。最终论文描绘出一种统筹生态保护、粮食安全与城市建设的空间格局优化方案,为相关部门提供未来城市发展政策制定参考,有助于实现城市的绿色可持续发展。论文的主要研究内容与结论如下:（1）城镇用地扩张过程及影响分析。通过多种空间分析方法,探索2009至2018年研究区的城镇用地扩张时空演变特征及其对生态环境和粮食生产的影响。结果表明,研究区城镇扩张规模、扩张强度、景观格局以及重心位置变化均具有一定规律性,且城镇扩张对生态保护和粮食安全带来较大的威胁。近年来,研究区城镇扩张强度随时间逐渐降低,零碎的城市斑块数量逐渐增加,形状趋向于复杂和不规整,破碎化程度逐年上升。城镇用地重心总体向西南方迁移,2015年行政区划调整后重心迁移幅度骤然增大。研究时段内,城镇扩张造成了81.22万吨碳储量的损失,同时占用3822.94km~2耕地,播种面积和粮食总产量逐步下降,面临较大的生态保护和粮食安全问题。（2）生态空间质量评价与粮食生产潜力估算。论文利用In VEST模型评估生态空间质量并采用耕地质量等别估算法量化研究区粮食生产潜力。生态空间质量评价结果表明,研究区生态空间质量高的地区面积较小,主要集中在太湖、滆湖和长江等水域区域及周边湿地,小黄山生态公益林,新龙生态林和淹城森林公园等地区,生态空间质量低的土地面积占比较大,且近年来由于快速的城镇扩张,城镇周边地区的生态质量较差,亟需相应措施对生态用地予以保护;粮食生产潜力评估结果表明,研究区各耕地斑块的粮食生产潜力在432.47至518.75公斤/亩之间,耕地的粮食生产潜力存在空间差异,不同耕地斑块食单产相差最高达到86.28公斤/亩,粮食生产潜力较高的耕地主要分布在武进区西部以及新北区西部。（3）城镇用地扩张模拟与优化。结果表明,Blending策略融合三种机器学习模型后比单一模型具备更高的准确度,且与元胞自动机模型结合能有效预测城镇扩张。在元胞自动机模型中设置不同权重的生态空间质量和粮食生产潜力结果作为空间约束,展现研究区2030年在现状延续、严格的耕地保护、严格的生态保护与统筹发展四种情景下的城镇发展空间格局。对比不同情景的结果,统筹发展情景中高质量生态用地和高质量耕地同时得到了较高程度的保护,能够有效地解决研究区未来城镇扩张带来的生态保护和粮食生产安全问题。基于此情景优化未来城镇发展布局,设计统筹生态保护、粮食安全与城市建设的可持续发展方案。研究提出一种利用Blending策略对多机器学习算法进行融合来获取元胞自动机模型元胞转换规则的新方法,丰富了城市扩张模型。同时量化生态空间质量与粮食生产潜力并融入城镇扩张模型,多情景地展现未来发展空间布局,描绘出一张社会、经济、粮食、生态综合效益最大化的城镇空间优化蓝图,为相关部门提供决策支持。