地球系統非線性，不僅是地球信息科學的基礎理論，而且對於建模和套用也具有重大的指導作用。 地球系統非線性是以協同論（Snerpgeie)作為理論基礎的。 組成系統的各要素之間、主系統與各子系統之間，既有相互聯繫、相互依存的一面，又有相五排斥、相互制約的一面。
地球系統的非線性特徵是很明顯的，也是普遍存在的現象。首先人口的增長、社會經濟的發展、科學技術的發展都具有高度的非線性特徵（徐冠華，1999）。大氣運動、海水運動、動物與植物的繁殖具有非線性特徵，水系的形態、降雨造成的侵蝕過程、風力吹蝕沙丘的移動過程和地震活動亦具有非線性特徵。很多自然現象與社會經濟現象都具有非線性特徵。雖然也有時出現線性特徵，但這是暫時的和局部的，而非線性則是普遍的和永久的，也是本質的。協同論主要研究各子系統之間、各組成要素之間是如何協調發揮作用的。系統的正效果，是由於相互依存、相互聯繫為優勢作用的結果；而系統的負效果，是以相互排斥為優勢作用的結果。
