生物多样性监测，常用手段有哪些？| 海洋与湿地·小百科

摘要：生物多样性监测设备，涵盖了红外相机、声学监测仪、无人机、环境DNA监测、自动气象站等多种先进技术本文来源于“海洋与湿地”（OceanWetlands）：作者 | 王海诗（Amphitrite Wong）本文约8500字，阅读约15分钟

生物多样性监测设备，涵盖了红外相机、声学监测仪、无人机、环境DNA监测、自动气象站等多种先进技术

本文来源于“海洋与湿地”（OceanWetlands）：

作者 | 王海诗（Amphitrite Wong）

本文约8500字，阅读约15分钟

随着环境污染、气候变化以及人类活动的影响，很多物种正面临灭绝的风险，生物多样性正遭遇严峻挑战。通过定期监测，我们可以及时发现物种数量减少或栖息地受损的情况，进而采取有效措施保护它们，避免生态系统出现问题。而且，生物多样性对我们生活至关重要，它影响着食物、清洁水源、气候等各个方面的稳定。

生物多样性监测非常重要，因为它帮助我们了解生态系统的健康状况，以及各种动物和植物的分布和数量变化。

公民科学家也是生物多样性监测的很重要的组成部分。诸如eBird等数据库，很多来自公民科学的贡献。上图是海洋生物多样性监测。潜水员在斯米兰群岛所摄海洋多样生命中，有一只大章鱼。摄影：Stefano Dodero | 绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）

生物多样性监测设备，涵盖了红外相机、声学监测仪、无人机、环境DNA监测、自动气象站等多种先进技术，汗牛充栋，本文中只能略提一二。这些设备通过拍摄照片、记录声音、采集环境样本等方式，帮助我们了解不同物种的分布、数量、行为等信息，结合分析软件和模型，能够提供关于生态系统健康状况的全面数据。

现在，让我们来盘点一下，常见的生物多样性监测设备有哪些。这些技术，不仅提高了监测效率，还扩展了监测的范围，给我们提供了新的视角，帮助我们更加深入地了解生态系统。

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红外相机

红外相机是一种广泛应用的监测设备了，你在很多招标公告中都可以看到它们。特别是在野生动物调查中，红外相机能够在全天候、全天时进行拍摄，捕捉到许多难以通过人工方式观察到的动物活动。想象一下，在茂密的森林或辽阔的草原，许多动物都在夜晚活动，如果没有红外相机，我们根本无法知道它们的动向。红外相机通过感应动物体内的热量，能够准确地拍摄到经过的动物，不管是它们在觅食、奔跑，还是休息。而且，这种相机能够连续拍摄很长时间，不会像人工监测那样需要频繁地投入时间和人力。

红外相机是我国许多自然保护区常用的监测手段。随便搜索一下就发现，好多新闻在讲红外相机拍摄到了什么罕见的动物——比如上面的豹猫啊、黑熊啊，等等。

红外相机也有它的局限性。虽然它能够拍摄到动物的影像，但只能记录图像，而不能直接判断动物的种类、健康状况等细节。比如，如果一只动物快速通过相机的监控范围，或者停留的时间太短，可能就无法被捕捉到。另外，红外相机还容易受到环境的干扰，像树枝摇动、风吹草动等因素都可能会导致误拍。因此，虽然它在监测动物方面非常有效，但仍然不能做到“万无一失”。

2024年10月21日，贵州梵净山国家级自然保护区管理局发布动物监测红外相机采购公告，因开展梵净山天然林保护和黔金丝猴科研监测工作的需要，拟采购100台红外相机，预算是20万元。图源：网络

海南铜鼓岭国家级自然保护区管理处关于公开遴选国家重点保护兽类现状调查项目红外相机供应商的公告中，有关于招标红外相机拍摄系统80套的内容。图源：海南省林业厅

当然了，技术在进步。笔者发现，目前夜视触发式红外相机，可广泛应用于林业和野外调查监控。它们不仅能够通过红外感应捕捉夜间活动的野生动物，还支持强制拍摄功能，适用于观察冷血动物行为或记录植物生长周期等特殊需求。此外，红外相机还能设置在照片上显示重要信息，如机器序列号、拍摄时间、环境温度等，方便数据管理与科学研究。

如前所述，人类也是恒温动物，有热量的，如果你不小心闯入了监测范围、却又毫不知情，那么，你的活动的隐私性可能就没法说了。所以另外，红外相机的使用，也要注意科技伦理的问题。比如，红外相机拍摄到的动物活动数据可能被用于不当用途，比如侵犯隐私（包括未知情人员在布设区域的个人隐私）、或在某些情况下，甚至导致物种被非法捕猎——本来盗猎者不知道动物在哪儿出没，有了红外相机的“帮助”（也可能是黑客入侵了设备的端口），就能准确找到目标了。

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声学监测仪

声学监测仪是另一种非常有用的设备，尤其在鸟类、两栖动物以及一些夜行性动物的监测中，声学设备的优势显而易见。声学监测仪能够录制周围环境中的各种声音，包括鸟鸣、蝉叫，甚至是动物的低吼声。通过分析这些声音，科研人员能够推测某些物种是否存在于某个区域，甚至能推断出它们的种群数量。比如说，某些夜间活动的动物，如蝙蝠、蛙类，它们的声音可以通过声学设备清晰地捕捉到，从而帮助我们掌握它们的分布和活动规律。

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藕田里的生物多样性观察。李振文摄影。

现在，有科学家在“闻声辩鸟”。他们利用声学监测技术，将鸟类的叫声录制下来，并通过先进的算法将这些声音数据输入到计算机中进行分析。这种方法可以帮助科学家快速、准确地识别出不同鸟类的种类，甚至可以判断它们的数量和活动情况。与传统的视觉观察方法相比，声音识别技术不仅能够在不打扰鸟类的情况下进行监测，还能在鸟类活动最频繁的时段（如黎明或黄昏）提供有效的数据，从而大大提高了生物多样性监测的效率和准确性。

这种系统不便宜。2022年3月，南岭国家公园石门台区域野生动物声学智能感知与动态监测试点建设项目公开招标公告显示，采购的“野生动物声学智能感知与动态监测试点建设”预算是150万元。图源：政府采购网

笔者随便检索了一下，发现许多自然保护区和项目都曾经发布过声学监测的采购信息。

现代声学监测设备日益智能化和高效化，通过在目标区域合理布设声纹传感器，可以捕捉鸟类以及哺乳动物、两栖类、昆虫等多种生物的鸣声。这些设备借助基于中国物种名录、生物分布地图、影像资料和动物声音数据库所构建的深度学习声纹模型，能够实时在现场通过边缘计算提供识别结果，或者将数据通过物联网传输至平台进行进一步分析，为生物多样性研究和保护提供精准高效的技术支持。

当然了，声学监测仪也有其缺点。最常见的，是环境中的噪音常常会影响设备的效果。比如风吹、雨声，甚至是附近人类活动产生的声音，都可能导致设备录音的不准确，影响后期分析的结果。再者，声学数据的处理需要专业的分析软件来辨识不同物种的声音，有时候即使录下了大量的声音数据，也需要很高的技术支持，才能后期精确识别出具体是哪些物种。所以，虽然声学监测仪能够提供丰富的声音信息，但它对环境噪音和技术要求较高，也限制了它的普适性。

声学监测仪用于水下监测大型哺乳动物——如鲸类和海豚等，也是常见的用途。这些动物通常会发出特定的声音或回声，通过声学设备捕捉这些声音，可以帮助科学家追踪它们的活动、分布和行为。声学监测仪的优点在于，它不需要直接接触或干扰这些水下生物，能够在不打扰它们的情况下收集数据，尤其适用于深海或偏远区域的监测。与此同时，声学设备能够全天候工作，尤其在能见度差或水下环境复杂时，传统视觉监测方法无法发挥作用。但声学监测仪也存在一些局限性，例如水下环境中的噪声干扰（如船只的声音、海流的声音等）可能影响数据的准确性。

中华白海豚（Chinese white dolphin）。摄影：王敏幹教授（Prof.John MK Wong），摄于香港。 ©绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）

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水下声纳

在江河、海洋科研中，水下声纳是一种通过声波来探测水下物体的技术。它会发出声波，然后接收这些声波的回响，从而知道水下有什么东西，比如鱼群、珊瑚礁等。科学家通过这种技术，能够更清楚地了解海洋生物的位置和活动情况。通过分析回波，水下声纳能生成水下的“地图”，帮助我们更准确地识别海洋生物的种类和分布。

水下声纳的一个大优点是，它能够在水质浑浊或者能见度差的环境中工作，这时候普通的视觉监测就没用了。比如，在深海或者水下很深的地方，声纳也能准确探测到目标。而且，水下声纳不受天气影响，可以全天候工作，适合长期监测海洋生物的情况。所以，它成为了监测海洋生物和研究海洋生态非常有用的工具。

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比如“江豚保护区5G无人机和水下声纳监测服务”，中标金额是179万元，项目旨在“为了进一步扩大主动监测范围，实现长江江豚保护区核心区的全天候自主监测，在此5G无人机和水下声纳联动监测体系基础上，需要部署多套水下被动声学设备，并均与无人机进行联动，打造全要素、多方位、实时动态的保护区监测监管体系”。图源：网络

当然，水下声纳也有一些局限性。首先，水流、气泡或者水的深浅会影响声波的传播，这可能导致数据不够准确。小一些的水下生物，尤其是体型较小的鱼类和其他动物，可能探测不到。此外，使用声波的过程中，可能会对依赖声波来导航的海洋动物，比如鲸鱼和海豚，产生干扰，影响它们的正常行为。因此，使用声纳时需要小心，避免对这些生物造成不必要的影响。

江豚、白鱀豚的标本。Linda Wong摄影。©绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）

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空中无人机

无人机则为生物多样性监测提供了全新的视角，特别是在大范围区域的监测中，无人机的作用尤为突出。无人机不仅可以快速覆盖大面积的监测区域，还能飞行到高空或者进入一些人类难以到达的地方进行拍摄，帮助研究人员获得更多的生态信息。比如在一片广阔的森林或湿地，通过无人机，可以迅速拍摄到大范围内的生态状况，甚至是一些人类无法亲自到达的地区。跟传统的人工调查相比，无人机显然就像夜郎神的“第三只眼”，能够更高效地获取数据，尤其适合大范围、难以接触的区域。

海面上，距离拍摄船只的百米外的一群不起眼的儒艮。儒艮的监测，是极具挑战性的。据海洋生物学家王敏幹（John MK Wong）教授介绍：因为它们不像海豚会跃出水面，它们性格非常害羞，稍有声响，它们就会迅速游走。尤其是在波涛汹涌的海面上，儒艮短暂的呼吸动作，几乎难以被观察到。即使在平静海域，要目睹一群数百只的儒艮，也需要借助无人机等先进设备进行空中拍摄才行。而且，儒艮90%的时间都在海底觅食海草、或休息。它们只在觅食区和繁殖地之间成群游动。儒艮的潜水时间较长，可在水下停留3~25分钟，每次浮上水面呼吸的时间却不到1分钟。加上大多数国家的儒艮都以两三只的小群体生活，所以在海上更加难以被观察到。©摄影：王敏幹（John MK Wong） | 绿会融媒·“海洋与湿地”

2023~2024这两年，卡塔尔的研究人员在阿拉伯湾西南部海域对儒艮（Dugong dugon）种群开展了前所未有的深入调查。卡塔尔海域拥有全球第二大儒艮种群，近期在该国水域发现了多达600-700头儒艮。随着无人机技术的发展，科学家们可以通过无人机从高空拍摄儒艮的聚集、行为和体态特征，极大地提升了研究效率和数据准确性。在2023年和2024年的1月份，研究人员在同一地点连续两年观察到两只母儒艮各自带有体型相近的两只幼崽，极有可能是双胞胎。图源：卡塔尔环境与气候变化部（MECC Qatar）| 鸣谢：王敏幹（John MK Wong）

用无人机监测鲸鲨。鲸鲨航拍图。在这张照片中，王敏幹教授与一条鲸鲨并肩游泳。他介绍道，“照片左侧是我们11米长的船。去年，我们与245条鲸鲨同框；今年，我们更上一层楼，与366条鲸鲨合影，创造了世界纪录！” 供图：王敏幹教授（Prof. John MK Wong），卡塔尔海湾地区鲸鲨保护中心

当然，无人机也不是完美无缺的。最常见的天气因素，就可能是它的大敌。大风、降雨、雾霾等天气条件都会影响无人机的飞行稳定性，甚至直接导致任务失败。此外，无人机的电池续航能力也有限，尽管现在的技术不断提升，但一般情况下，它们的飞行时间仍然比较短，通常在几十分钟到几个小时之间，这也限制了它在一些长时间、高强度监测中的应用。而且虽然无人机设备日益普及，但其成本仍然不低，对于一些预算有限的研究项目来说，可能并不是最优选择。

另外，法律上的禁令也让无人机的用途受限。现在好多地方，都已经禁止了“低慢小”航行器的飞行。

还有一个常见的缺点，是隐私性的问题、科技伦理的问题。比如经常可以看到各种看似“波澜壮阔”的鸟类群飞，其实拍摄的过程，说白了就是“无人机追鸟”。不懂的人看热闹，行家看得却心惊肉跳。要知道，这种“追鸟”拍摄的行为，是很不道德的。干扰了鸟类的栖息、繁殖。对于鸟类而言，持续的追踪和过度的干扰可能导致它们产生压力，甚至改变栖息地或迁徙路线。作为科技的使用者，科研人员和相关机构需要高度重视这些伦理问题，确保无人机的使用没有对生态系统或动物造成不必要的负面影响。如果涉及到研究的话，那么一定要有伦理审查。

每年观鸟时节，都有兢兢业业的保护人士苦口婆心的劝观鸟的爱好者们不要用无人机去威胁、干涉鸟类。无人机使用的伦理问题是一个重要关注。

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多光谱相机

多光谱相机是一类能够拍摄不同波长光线的特种相机。跟普通相机只能拍摄我们眼睛能看到的光线不同，多光谱相机可以捕捉紫外线、可见光和近红外线等多种不同类型的光，让科学家可以更详细地了解周围的环境，比如植物的健康状况、土壤的类型，甚至是水质的变化。在生态研究和生物多样性监测中，多光谱相机被广泛应用于森林监测、植被调查和水体质量评估等工作，为科学家提供了更多的信息。

多光谱相机的一个大优点是，它能够提供比普通相机更多的信息，帮助我们更清楚地了解植物和环境的状况。比如说，它可以通过近红外光来判断植物是否健康，看看它们是否缺水、或者生长不良。这样，科学家可以更早发现问题，及时采取措施。此外，多光谱相机通常和无人机一起使用，能够快速覆盖大范围的区域，节省了很多人工成本，特别适合一些无法轻易到达的地方。

不过，多光谱相机也有一些缺点。它的价格比较贵，普通人可能难以购买，通常只有科研机构或专业团队才会使用。二是拍摄下来的图像需要专业的软件和技术来分析，普通人是看不懂的，得有专业的人员来解读这些数据。再者，虽然它能拍到更多种类的光线，但在一些复杂的环境中，比如光线不好或者角度不对时，拍出来的图像可能不够清晰，影响数据的准确性。虽然多光谱相机为监测生态提供了更多的视角，但它还是需要和其他设备和技术结合使用，才能确保数据的全面性和可靠性。

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水下无人机

水下无人机（AUV，自动水下航行器、水下无人自主航行器）也是一种生物多样性监测的手段，近年来，在海洋与湿地科研中，得到了越来越广泛的应用。它们能够在水下环境中自主航行，进行长时间的监测，收集海洋或淡水生态系统中的各类数据，包括水质、温度、动物分布等。这些无人机，通常配备高清摄像头、声学传感器等设备，能够拍摄水下生物的活动、观察珊瑚礁健康状况、监测大型海洋哺乳动物等，为科学研究和环境保护提供宝贵的资料。

Autosub6000自治式水下航行器。这是一款由英国自然环境研究委员会研发的先进深海探测设备。它长5.5米，重1800公斤，能够在6000米深的海底进行自主航行。凭借精确的导航系统和先进的避障功能，Autosub6000可以安全高效地执行各种科学考察任务。图源：Wynn, Russell B., et al.（2014）

水下无人机的主要优点，是它们能够深入人类难以到达的水域进行长时间、无人值守的监测，从而大大降低了人工干预的成本和风险。与传统的水下探测设备相比，无人机能够提供更为精细的实时数据，甚至可以穿越复杂的水下环境，如深海、洞穴等，进行高效的观察。此外，它们的灵活性，使得科学家能够在不同水域进行跨区域的比较研究，提升了监测的广泛性和数据的多样性。

但水下无人机也有其不足之处。一是它们的高成本和操作难度，有时候让人“望而生畏”，限制了其在某些小型或资金有限的项目中的应用。二是水下环境中可能存在的水流、气泡等因素会影响无人机的稳定性，导致数据采集的精准度降低。三是无人机的电池续航能力有限，长时间的水下作业仍然需要定期的充电或更换电池，这在长时间监测中可能会成为一个技术瓶颈。尽管如此，水下无人机依然是生物多样性监测中一项非常有前景的工具，随着技术进步，它们的应用范围和效率将不断提升。

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环境DNA

近年来，环境DNA（eDNA）技术的出现为生物多样性监测打开了新的大门。eDNA监测通过分析土壤、水样等环境中的微量DNA，帮助科研人员了解某个地区是否存在特定物种。比如，当我们在森林里采集了一些土壤样本，分析其中的DNA信息，就能判断该区域是否有某种稀有动物活动过。eDNA技术的一个重要优势是，它不需要干扰动物的正常生活，不需要直接接触或捕捉动物，就能够获得大量有价值的信息。这种方法特别适合用来检测那些难以直接观察或捕捉到的物种。

分子生物学实验室设备是进行环境DNA（eDNA）监测的核心工具，主要用于提取、扩增和测序环境样本中的DNA。这些设备通常包括高效的DNA提取仪器，能够从水、土壤等环境样本中提取出微量的DNA；扩增设备，如实时PCR仪，用于对提取出的DNA进行扩增，以便进一步分析；以及测序仪，能够对扩增后的DNA进行高通量测序，获取物种的详细遗传信息。这些设备相互配合，使得科研人员能够通过环境DNA技术，精确地监测和识别水域或土壤中的生物种类，甚至检测到一些难以察觉的稀有物种。据“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编跟冈特·鲍利（Gunter Pauli）的讨论，他的新能源科研船上面就装了可以移动进行eDNA的设备。

不过，eDNA也并非无缺点。一是环境DNA的样本采集和处理需要非常小心，否则容易出现污染，导致检测结果不准确。此外，eDNA技术虽然能够揭示物种的存在，但它更多的是提供物种的分布信息，对于动物的行为、数量等其他信息的获取较为有限。还有就是它需要有数据库可以作为比对。因此，eDNA技术仍然需要与其他监测手段结合使用，才能提供更加全面的生态数据。关于eDNA的优点、缺点，“海洋与湿地”曾经多篇文章讨论过，如：

海湿·往期报道：《生态监测的分子革命！eDNA/eRNA揭开生态系统健康的隐秘动态》

海湿·往期报道：《eDNA技术监测河流无脊椎动物的局限性：传统方法依然不可替代》

海湿·往期报道：《美国eDNA战略：生物多样性监测的革命性技术，如何全面改变自然资源管理？》

海湿·往期报道：《eDNA增进北极生物多样性研究：拖网与分子数据的结合分析》

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GPS追踪器、项圈

跟踪项圈和光敏跟踪仪是生物多样性监测中常用的设备，主要用来追踪动物的活动和迁徙情况。跟踪项圈通常安装在动物的脖子上，通过GPS或无线电信号实时传输动物的位置。这种设备特别适用于研究大型动物，比如一些哺乳动物和鸟类，帮助科学家了解它们的活动范围、栖息地以及迁徙路线。光敏跟踪仪则是通过感应动物活动时的光线变化来进行监测，常用于跟踪小型动物的行为模式。

戴上了项圈的“完达山1号”东北虎。图源：新华社

比如，东北虎“完达山”被抓之后，又给放了，释放之前科研人员给它佩戴了跟踪项圈；又比如，北京雨燕的公民科学家项目，如果不是佩戴上非常轻的那种光敏跟踪仪，也不会后来发现它们原来栖息地远在非洲南部——直接让北京雨燕成为了中非一带一路的“生态使者”。

这类设备的优点在于，它们能够提供动物活动的实时数据，尤其是在野外监测时，能大大减少人工干预。通过跟踪项圈，科研人员可以精确掌握动物的生活习性和迁徙路线，这对于保护濒危物种以及了解栖息地变化非常重要。光敏跟踪仪还可以帮助我们了解动物的行为模式，进一步为它们的保护和管理提供科学依据。

不过，跟踪项圈和光敏跟踪仪也有一些不足之处。一是这些设备的重量和体积可能会对动物造成一定的困扰，尤其是对一些小型动物来说（比如小燕子），可能影响它们的正常活动。如果选择不当的话，长时间佩戴这些设备，有时也会让动物感到不舒服、甚至改变它们的自然行为。此外，设备的信号传输和电池续航也是一个挑战，特别是在一些信号不太好的区域，可能会影响数据的准确性和完整性（海湿小编依稀记得，最初的北京雨燕公民科学家项目中，燕子飞到非洲南部之后因为供电的问题曾经相当一段时间没有信号）。因此，科研人员在使用这些设备时，需要仔细平衡监测效果和对动物的潜在影响，确保不会对动物造成不必要的伤害或干扰。

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自动气象站

自动气象站是一种能够自动测量和记录气象数据的设备。它就像天气观察员的眼睛，持续不断地监测着我们周围的天气变化。

作为生物多样性监测中的重要设备，自动气象站能够提供精准的气象数据，帮助我们了解气候变化对生态环境的影响。自动气象站可以实时测量气温、湿度、降水量、风速等多项气象数据，帮助研究人员分析气候变化与生物多样性之间的关系。借助这些数据，我们就能够了解气候如何影响动物的栖息地、植物的生长以及生态系统的整体健康状况。自动气象站的优势在于它能够全天候、全年无休地提供稳定的数据，非常适合用于长期的生态环境监测。

但自动气象站的部署也有一定的局限性。设备需要放置在适当的地方，才能获得准确的数据。如果部署地点选择不当，可能会导致数据的不准确。二是高精度的气象监测设备价格较为昂贵，对于一些预算有限的项目，可能无法普及。尽管如此，自动气象站作为辅助设备，仍然是非常重要的工具，尤其是在气候变化研究和生态监测中。

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激光测距

鲸鲨是世界上最大的鱼类，体型巨大，这使得传统的测量工具和方法难以精确测量。此外，鲸鲨在水中游动速度较快，难以固定住进行测量。而且，在海洋环境中进行测量面临诸多挑战，如水流、能见度、以及鲸鲨的活动范围等。这些因素都会影响测量数据的准确性。目前常用的测量方法，如照片测量、声纳测量等，都存在一定的误差。那么，如何准确地测量一条鲸鲨的体长呢？下面的视频是2024年11月由卡塔尔海湾地区鲸鲨保护中心执行主任、鲸鲨研究领域的专家王敏幹教授（Prof. John MK Wong）分享了在船上进行的一个演示，展示了如何利用激光（laser beams）技术来精确测量鲸鲨的体长。

视频来源：卡塔尔气候与环境部

激光测量技术为科学家解决了鲸鲨体长测量的难题。通过船载激光设备，研究人员向鲸鲨投射两束平行光束，在其身体上形成两个标记点，从而确定精确的长度基准线。结合视频录像技术，团队记录并分析了鲸鲨的关键身体特征，如头部和嘴巴的尺寸，确保了数据的准确性和可靠性。

这种方法克服了传统测量技术的局限，例如水下能见度差、鲸鲨的高速游动和测量环境的不稳定等问题。2023年，该技术团队测量了300条鲸鲨的体长，结果显示它们的长度从1.9米到12米不等，年龄覆盖了从2岁到50岁的范围。激光测量技术不仅提高了鲸鲨研究的效率，还为研究种群结构、生长规律等生态学问题提供了重要依据，成为保护这类“温柔巨兽”的重要工具。

传统的用尺子测量鲸鲨。供图：王敏幹 | 卡塔尔海湾地区鲸鲨保护中心执行主任