地球系統科學

地球系統科學是從傳統的地球科學脫胎而來的。人類的生活要從環境中獲取食物、能源，故必然關心所居住的環境，對所立足的地球產生求知慾，於是逐漸形成了地球科學的各分支，如氣象學、海洋學、地理學、地質學、生態學等。然而，它們是對地球的某一組成部分的分門別類的研究。隨着研究的深入，形成了各自的研究方法、手段和目的。但是，由於地球的空間廣域性，形成它的時間悠久性和組成其要素的複雜性，分門別類的研究儘管有的學科已達定量、半定量化的研究水平，但仍不能完整地認識地球，傳統地學面臨着挑戰。用系統的、多要素相互聯繫、相互作用的觀點去研究、認識地球，越來越為有識之士所倡導。於是，在20世紀80年代中期，特別以美國地球系統科學委員會(Earth System Science Committee)在1988年出版的《地球系統科學》一書為標誌的「地球系統科學」思想和概念被明確提出^[1]。事實上，本世紀六七十年代在中國興起的對自然地理各要素進行綜合研究的思想，可以看作是(表層)地球系統科學的萌芽。只是後者涉及的範圍、領域更廣，時間更長，系統的方法和現代技術手段更加先進完善而已。

地球系統科學理論

地球系統科學是把地球看成一個由相互作用的地核、地幔、岩石圈、水圈、大氣圈、生物圈和人類社會等組成部分構成的統一系統，是一門重點研究地球各組成部分之間相互作用的科學。研究目的是了解地球系統所涉及的過程，各組成部分之間的聯繫和相互作用，維持充足的自然資源供給，減輕地質災害，調節全球環境變化並使危害降到最小，獲取在全球尺度上對整個地球系統的科學理解。

地球系統科學的研究步驟由四部分構成：現象的觀測和數據的積累；對觀測數據進行分析和解釋，從物理、化學和生物學的規律出發，建立有關地球過程的定量關係；在前兩項的基礎上建立概念模型和數學(數值)模型(和實驗)；驗證模型，並用它對未來的變化趨勢進行統計預測和預報。

隨機性是複雜地球系統的重要特徵之一。若地球系統中一個系統的狀態演化可用一個隨時間變化的隨機變量來描述，則稱該系統為一隨機過程。自組織是地球系統科學的一個重要概念，它是地球複雜系統演化時出現的一種現象。在地球系統實現空間、時間或功能的結構過程中，如果沒有外界的特定干擾，僅是依靠地球系統內部的相互作用來達到的，便可以說地球系統是自組織的。地球系統科學從系統局部與整體的關係出發來研究地球系統，簡單地球巨系統是研究的基礎和起點，運用地球系統自組織理論來研究簡單巨系統，使對這一類地球系統有個基本的認識。

地球系統科學研究的對象是從簡單性和簡單系統轉向複雜性和複雜系統，要求在方法論上實現根本轉變。概括地說，凡是不能用還原論方法處理的問題，或者需要用新的科學方法處理的問題，都是複雜性問題，複雜巨系統就是這類問題。因此，在面對複雜的地球系統問題時，總是設法把複雜性簡化掉，即把複雜性當作簡單性處理。當對象是典型的簡單系統，或者屬於不夠典型的複雜性問題時，這樣處理是可行的或近似可行的。這也是地球系統複雜性研究的主要理論基礎。

空間定位技術

GPS作為一種全新的現代定位方法，已逐漸在越來越多的領域取代了常規光學和電子儀器的定位。1990年代以來，GPS衛星定位和導航技術與現代通信技術相結合，在空間定位技術方面引起了革命性的變化。用GPS同時測定三維坐標的方法將測繪定位技術從陸地和近海擴展到整個海洋和外層空間^[2]，從靜態擴展到動態，從單點定位擴展到局部與廣域差分，從事後處理擴展到實時(准實時)定位與導航，絕對和相對精度擴展到了米級、厘米級乃至亞毫米級，從而大大拓寬它的應用範圍和在各行各業中的作用。

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