4．1．1 地球系统非线性特征的基本概念
地球系统的非线性特征，不仅是地球信息科学的基础理论，而且对于建模和应用也具有重大的指导作用。
系统论的创始人、奥地利生物学家贝塔朗菲早在50年前就指出：当子系统构成大系统时，大系统的功能大于子系统功能的简单相加。尤其在对生物系统的研究中，提出了著名的“整体功能大于各部功能之和”的结论，即“1+1≠2”，称为系统功能不守恒定律或非线性定律。
按照系统科学的理论，地球是一个典型的开放的巨系统，这已经得到大多数科学家的承认。依据系统功能原理：“系统的整体功能大于各部分功能之和”，这是典型的非线性现象，而且也是普遍存在的规律，只要属于“系统”它的功能都具有非线性特征。用通俗易懂的说法，系统的功能可以用：“1+1＞2”的数学形式来表达，但它不是数学公式，不符合数学的规则，它是“系统”的规则。例如，人的眼睛的灵敏度，两只眼睛要比单只眼睛高出6～10倍。再以手的功能来说，两只手的功能，要比一只手的功能大10～20倍，这是生活中的非线性现象。在自然界中，野生动物的繁殖数量是按几何级数增长的；社会生产力的发展，也是按几何级数规则发展的。“从量变到质变”的规律，也是一种非线现象。
但是系统功能的大小，取决于系统的结构。它并不完全遵循“系统的整体功能大于各组成部功能之和”的法则，它主要由系统的组成结构来决定。例如在生活中，有这样的说法：“一个和尚挑水吃，两个和尚抬水吃，三个和尚没水吃”，这就是系统的结构与系统的组织问题，它也可能成几何级数递减。因此，从系统的角度来看，系统的整体功能与各组成部分之间的关系，存在三种可能性：
第一种：1+1＞Z（系统相加，正效果）
第二种：1+1＝2（系统相加，平效果）
第三种：1+1＜2（系统相加，负效果）
这三种结果，是由系统的结构所决定的。
地球系统的非线性特征是很明显的，也是普遍存在的现象。首先人口的增长、社会经济的发展、科学技术的发展都具有高度的非线性特征（徐冠华，1999）。大气运动、海水运动、动物与植物的繁殖具有非线性特征，水系的形态、降雨造成的侵蚀过程、风力吹蚀沙丘的移动过程和地震活动亦具有非线性特征。很多自然现象与社会经济现象都具有非线性特征。虽然也有时出现线性特征，但这是暂时的和局部的，而非线性则是普遍的和永久的，也是本质的。