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。