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如前所述，陆地表层是一个客观存在的复杂地理系统，具体表现在地理要素的时空复杂性、要素相互作用的复杂性和驱动机制的复杂性。一方面，在科学理念上“整体论”的思维方式为开展复杂问题研究奠定了思想基础；另一方面，学科方法论体系的不断完善为开展系统研究和复杂系统研究提供了可能，如：系统论、信息论、控制论、耗散结构理论、突变论、协同论等。地理学发展至今面临着综合研究难以突破的困境，如逆水行舟，不进则退，因而，无论从学科发展角度，还是从社会服务角度，都需要地理学建立“复杂性”研究的认识论体系。地理复杂性研究将成为引领地理学发展的重要路径之一。
系统可以分为简单系统、复杂系统和随机系统（表2-1）。简单系统的特点是要素比较少，要素组织层次比较清晰，可以用较少的变量加以描述。要素关系相对独立、可预见、可组织，通常可以用牛顿力学进行解析。复杂系统的要素间具有强烈耦合作用特征，但可理解、可调控、可用非线性的方法进行表达。对于随机系统而言，尚无法准确描述其时间、空间过程及动力作用关系，对地理学而言，尽管暂时无法解析随机系统的内部规律，但是，在一定程度上能够判定系统随机行为的存在。
表2-1 简单系统、复杂系统与随机系统的对比
复杂系统是具有非线性演化特征的系统。地理学研究的非线性对象可以是独立的地理要素，也可以是多个地理要素共同作用表现的非线性。基于复杂性研究的非线性主要是指不能用简单线性方程表达的变化，即存在着突变。复杂系统旨在刻画对象的整体变化行为，一般认为系统内部存在着独立运动的基本单元。系统通过学习、进化过程产生自适应行为，构成系统演化过程。
看似杂乱的复杂系统通过自组织行为，产生从无序变成有序、从有序变为无序的进化能力。相对于系统的自组织过程，同样存在着系统的他组织过程，当然也存在着无组织过程。打个比方：自由恋爱是自组织过程，父母包办是他组织过程，通过中间人介绍的自由恋爱，则是他组织转变为自组织过程。所以，自组织可以概括为无需外界特定指令而能自行组织、自行创生、自行演化，能够自主地从无序走向有序，形成具有结构系统的行为。他组织是不能自行组织、自行创生、自行演化，不能自主地从无序走向有序，必须通过外界推动力实现无序到有序的行为。一般而言，复杂系统研究以自组织思路开展，在很多地理现象中，地理系统是接受强迫之后发生变化，整体过程似乎是他组织，而内部结构变化似乎是自组织过程。