Analyse von Tierspuren im Schnee mittels Computer Vision

Für eine visuelle Übersicht der in diesem Artikel behandelten Konzepte, schau dir das Video unten an.

Schnee kann, wie andere natürliche Oberflächen auch, Aufzeichnungen von Wildtieraktivitäten festhalten. So können beispielsweise Fußabdrücke im Schnee zeigen, welche Tiere vorbeigekommen sind, wie sie sich bewegt haben und was sie getan haben.

Seit Jahrzehnten untersuchen Wanderer, Jäger und Forscher diese Abdrücke, um mehr über das Verhalten von Wildtieren zu erfahren. Aber das Verfahren ist nicht immer zuverlässig. Schnee kann sich verschieben, der Wind kann Details verwischen und überlappende Spuren können die Identifizierung erschweren. Selbst geschulte Beobachter können wichtige Muster übersehen.

Abb. 1. Leopardenpfotenabdrücke in frischem Schnee. (Quelle)

Technologische Fortschritte machen es jetzt einfacher, diese Zeichen zu interpretieren. Insbesondere Computer Vision, ein Teilbereich der KI, der es Maschinen ermöglicht, visuelle Daten präzise und schnell zu analysieren, kann zur Erkennung und zum Verständnis von Tierspuren eingesetzt werden. So können beispielsweise Modelle wie Ultralytics YOLO11 darauf trainiert werden, Formen und Muster in Bildern von Tierspuren zu erkennen.

In diesem Artikel untersuchen wir, wie Tierspuren im Schnee konserviert werden, was sie über Wildtiere verraten und wie Computer Vision die Spurensuche effizienter macht.

Link to this sectionDie Bedeutung von Tierspuren im Schnee#

Tierspuren sind Eindrücke, die entstehen, wenn sich Tiere über Oberflächen wie Schnee, Erde oder Schlamm bewegen. Bei den richtigen Schneebedingungen bewahren diese Abdrücke oft schärfere Details wie Krallenabdrücke, Zehenballen und die Unterschiede zwischen Vorder- und Hinterfüßen, die in Erde oder Gras schwerer zu erkennen sind.

Abb. 2. Tierfußabdrücke auf verschiedenen Oberflächen. (Quelle)

Jenseits der Identifizierung der Art können der Abstand, die Anordnung und subtile Variationen in den Spuren Forschern viel über Bewegung, Verhalten und Interaktionen mit der Umwelt verraten und Forschern, Wanderern und Naturliebhabern wertvolle Einblicke in die Tieraktivität geben.

Hier sind einige der wichtigsten Merkmale, auf die Forscher beim Lesen von Spuren achten:

• Vorder- vs. Hinterfüße: Die Größen- und Formunterschiede zwischen Vorderpfoten und Hinterfüßen spiegeln wider, wie ein Tier sein Gewicht verteilt und sich in seiner Umgebung bewegt.
• Pfotenabdrücke oder Tierabdrücke: Die allgemeine Umrisslinie und Größe eines Abdrucks helfen dabei, die Art zu identifizieren, die die Spur hinterlassen hat.
• Krallenabdrücke: Hundeartige Spuren, wie die von Kojoten, Füchsen und Hunden, zeigen normalerweise Krallenabdrücke, während Katzenpfoten, einschließlich Rotluchsen, Hauskatzen und Berglöwen, dies normalerweise nicht tun, es sei denn, das Tier rennt oder bewegt sich auf rutschigem Untergrund.
• Spurmuster: Die Anordnung der Spuren kann Tierverhalten enthüllen, wobei Kojoten und Füchse oft gerade Pfade hinterlassen, während Haushunde dazu neigen, in einem Zickzack-Muster zu wandern.
• Spurbreite und Schleifspuren: Die Breite zwischen linken und rechten Spuren (Spurbreite) variiert je nach Art und Gangart, und Veränderungen in der Spurbreite können auf Bewegungsgeschwindigkeit oder Vorsicht hindeuten, während Schleifspuren von Schwänzen, Bäuchen oder Beutetieren zusätzliche Hinweise auf die Aktivität liefern.

Link to this sectionIdentifizierung von Tierspuren im Schnee#

Jede Spur im Schnee erzählt einen Teil der Geschichte eines Tieres. Die Größe und Form jedes Abdrucks, die Unterschiede zwischen Vorder- und Hinterfüßen sowie das Vorhandensein oder Fehlen von Krallenabdrücken können Art, Gangart und Gewichtsverteilung enthüllen. Zum Beispiel hinterlassen Füchse und Kojoten oft sichtbare Krallenabdrücke, während Rotluchse und Berglöwen dies normalerweise nicht tun.

Spuren treten selten allein auf. Hinweise wie Losung, Fellreste, Schwanzschleifspuren oder nahe gelegene Höhleneingänge liefern oft wichtige Zusammenhänge. Da Schneebedingungen und überlappende Pfade Details verwischen können, stützen sich Spurenleser auf mehrere Anzeichen gleichzeitig, um ein klareres Bild zu erhalten. Die Art und Weise, wie Spuren im Schnee angeordnet sind, ist besonders hilfreich und verdeutlicht nicht nur, wohin ein Tier gegangen ist, sondern wie es sich bewegt und verhalten hat.

Hier sind einige gängige Tierspurmuster, die im Schnee gefunden werden:

• Hüpfer: Kaninchen und Schneeschuhhasen stoßen sich mit kräftigen Hinterbeinen ab und hinterlassen große Hinterabdrücke vor den kleineren Vorderabdrücken. Im tiefen Schnee machen Schneeschuhhasen besonders lange Spuren.
• Springer: Wiesel, Marder, Nerze und Bisamratten springen mit Vorder- und Hinterpfoten gleichzeitig vorwärts und bilden ein sich wiederholendes Zwei-zu-Zwei-Muster.
• Gänger: Waschbären, Stinktiere, Biber, Stachelschweine und Schwarzbären bewegen sich langsam und hinterlassen breite Spuren mit sichtbaren Krallenabdrücken.
• Perfekte Läufer: Füchse und Kojoten setzen die Hinterpfoten fast genau dahin, wo die Vorderpfoten landeten, wodurch gerade Linien entstehen. Kojoten neigen dazu, auf direkten Pfaden zu wandern, während Haushunde in Zickzacklinien umherstreifen.

Link to this sectionHerausforderungen bei der Interpretation von Tierspuren im Schnee#

Trotz verschiedener Hinweise, die mit Spuren zusammenhängen, kann das Verfolgen von Tieren im Schnee komplex sein. Schneebedingungen beeinflussen das Aussehen der Abdrücke: Neuschnee bewahrt Details, während krustiger, schmelzender oder frisch gefallener Schnee Spuren verzerren oder verdecken kann.

Auch das Wetter spielt eine Rolle, da Wind und Sonnenlicht die Ränder verwischen können und sich überschneidende Pfade mehrerer Tiere für Verwirrung sorgen können. Darüber hinaus trägt das Tierverhalten zur Unvorhersehbarkeit bei.

Einige Arten, wie Stinktiere und Schwarzbären, halten Winterschlaf, während andere sich unregelmäßig bewegen oder ihre Spuren zurückverfolgen. Währenddessen kreuzen sich in Wäldern oft Spuren von Hirschen, Elchen oder Wapitis mit denen kleinerer Tiere oder Raubtiere, und zusätzliche Anzeichen wie Losung, Fell oder Schwanzschleifspuren werden verwendet, um Bewegung und Verhalten zu verstehen.

Link to this sectionWie Computer Vision zur Erkennung von Tierspuren eingesetzt werden kann#

Um die Herausforderungen bei der Analyse von Tierspuren im Schnee zu bewältigen, beginnen Forscher, sich modernster Technologien wie Computer Vision zuzuwenden. Sie untersuchen beispielsweise Computer-Vision-Modelle, die einzelne Abdrücke erkennen und lokalisieren, überlappende Spuren trennen und sogar auf benutzerdefinierten Datensätzen trainiert werden können, um artspezifische Merkmale wie Krallenabdrücke und Gangmuster zu erkennen.

Insbesondere Modelle wie Ultralytics YOLO11 unterstützen Computer-Vision-Aufgaben wie Objekterkennung, die zur Identifizierung und Lokalisierung einzelner Pfotenabdrücke verwendet werden kann, sowie Instanzsegmentierung, die überlappende Spuren trennen kann. Durch das Training eines Modells wie YOLO11 auf einem benutzerdefinierten Datensatz von Tierfußabdrücken können Forscher es einfacher machen, artspezifische Muster zu erkennen, überlappende Spuren zu unterscheiden und konsistentere Ergebnisse zu erzielen als durch manuelle Beobachtung.

Link to this sectionComputer Vision und Forschung zur Analyse von Tierfußabdrücken#

Nachdem wir gesehen haben, wie Computer Vision Tierfußabdrücke verfolgen kann, gehen wir nun durch, wie diese Technologie in der realen Forschung angewendet wird.

Link to this sectionVon FIT zu offenen Datensätzen#

Jahrelang stützten sich die meisten Fußabdruckstudien auf die Footprint Identification Technology (FIT). FIT funktioniert, indem spezifische Punkte auf jedem Fußabdruck markiert werden und diese Messungen verwendet werden, um Tiere voneinander zu unterscheiden. Obwohl effektiv, ist der Prozess langsam, erfordert geschulte Experten und ist nicht praktikabel, wenn Sie versuchen, Tausende von Spuren in der Wildnis zu analysieren.

Eine aktuelle Studie über Amurtiger in Nordostchina demonstrierte, wie FIT sogar Individuen anhand von Fußabdrücken im Schnee identifizieren kann, was eine zuverlässige, nicht-invasive Methode zur Überwachung bedrohter Raubtiere bietet.

Abb. 3. Tigerfußabdrücke im Schnee. (Quelle: sciencedirect.com)

Die Forscher hoben jedoch auch die Einschränkungen hervor: Es ist arbeitsintensiv und schwer skalierbar. Wichtig ist, dass sie anmerkten, dass Computer Vision diesen Prozess in der Zukunft automatisieren könnte, wodurch der Bedarf an manuellen Messungen verringert und gleichzeitig viel größere Datensätze verarbeitet werden können.

Dieser Wandel beginnt bereits mit Projekten wie OpenAnimalTracks, einem öffentlichen Datensatz, der Tausende von markierten Fußabdrücken von 18 Arten in Schlamm, Sand und Schnee enthält. Mit Ressourcen wie dieser können Vision-KI-Modelle darauf trainiert werden, Fußabdrücke automatisch zu erkennen und zu klassifizieren, was Wildtierüberwachung schneller und zugänglicher macht.

Abb. 4. Ein Blick auf den OpenAnimalTracks Datensatz (Quelle)

Durch den Aufbau auf den Grundlagen von FIT und deren Kombination mit offenen Datensätzen und Computer Vision bewegt sich die Naturschutzforschung in Richtung skalierbarer Systeme, die Arten verfolgen und Ökosysteme schützen können - ohne die Tiere selbst jemals zu stören.

Link to this sectionWichtige Erkenntnisse#

Tierspuren im Schnee zeigen, wie sich Tiere bewegen, verhalten und ihre Lebensräume nutzen. Sie von Hand zu lesen erfordert Geduld und Erfahrung, aber Computer Vision macht den Prozess effizienter. Die Verwendung von Tools wie YOLO11 in Verbindung mit menschlichem Wissen macht die Wildtierüberwachung rationeller, unterstützt Naturschutzbemühungen und liefert nützliche Daten zum Schutz von Arten.

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