城镇化是社会经济发展的必然结果，城市群是城镇化发展到成熟阶段的最高空间组织形式。在我国《国家新型城镇化规划》以城市群为推进城镇化的主体形态的背景下，研究城市群城镇空间扩展格局的演化对了解城市群的职能，促进大中小城市和小城镇协调发展具有十分重要的意义。山东半岛城市群是我国东部沿海最重要的城市群之一，也是对整个山东省甚至全国都极具影响力的重点发展区域。基于遥感和GIS技术，获取了2000-2013年城市群城镇空间分布数据，基于元胞自动机（CA）模拟城市群2020年城镇扩展情况。在此基础上利用年均扩展率、扩展强度、间隙度指数、相关分形维数以及空间关联指数等指标对2000-2020年山东半岛城市群城镇空间格局时空演变进行了分析，结果表明：（1）山东半岛城市群2000年城镇建设用地面积由2000年的246973.34公顷扩展到2006年的348876.33公顷，又扩展到2013年的502664.46公顷，预测到2020年建设用还要扩展130825.5公顷。然而，2000-2020年年均扩展率呈下降趋势，2000-2006年间的扩展率为5.93%，2006-2013年下降到5.36%，2013-2020年将下降到3.36%，表明城镇扩展速度有变缓的趋势。（2）从年均扩展率来看，2000-2013年，邹平、济南、青岛、东营、潍坊和日照年扩展速率明显大于其他地市，从扩展强度来看，山东半岛城市群2000-2013年期间，青岛、烟台、东营、潍坊、日照和邹平扩展强度明显大于其他城市，这表明胶济铁路沿线和沿海城市带在2000-2013年期间城镇空间扩展明显；从间隙度指数来看，全局间隙度指数随着滑动窗口的大小的变大，2000年、2006年和2013年的间隙度指数均表现为逐渐降低，表明山东半岛城市群城镇建设用地分散分布现象越来越明显，济南和青岛等重点城市的极化效应逐渐削弱，城镇化出现多极扩张的格局，城镇扩展的异质化越来越弱；从分形维数来看，2000、2006、2013年的分形维数分别为1.124、1.337、1.414，呈现增加的趋势，这也表明山东半岛城市群城镇扩展有向面域推进扩展演化的趋势。而从相关系数来看，2000-2006年Z值较低，2006-2013年，G(d)和E(d)的差距明显减小，且Z值下降较快，说明城镇空间增长的高值与低值集聚中心极化强度迅速降低，且“热点区”与“冷点区”在空间分布上出现明显的演化和迁移，与山东半岛城市群全局间隙度指数分析结果基本吻合。（3）预测到2020年，山东半岛城市群城镇建设用地面积增加迅速，城镇化发展明显，研究区内城镇建设用地面积将达到633489.93公顷，城镇化进程进一步扩大，城镇化水平逐渐加深，但由于研究区内各城镇扩展逐渐饱和，城镇化扩展速率将慢慢回落。（4）2000-2013年期间，山东半岛城市群的扩展主要烟胶济铁路这一个扩展轴扩展，预测2013-2020年期间，将形成沿济南－淄博－潍坊－青岛（胶济铁路）为主轴，威海－烟台－青岛－日照（沿海城市带）和东营－淄博为次轴的“土”字形发展轴，并逐渐形成济南－淄博－潍坊－东营联合城市区、青岛－日照联合城市区以及烟台－威海联合城市区等空间联系紧密的三大联合城市区。