3D-Dokumentation von Schuhabdrücken an Tatorten in Minutenschnelle, und das kontaktlos

Neben der DNA gibt es zwei weitere typische Beweismittel, die eine Person an einem Tatort in Verbindung hinterlassen kann: Finger- und Schuhabdrücke. Vielleicht auch dank der Popularität von Fernsehkrimis und CSI-Dokumentationen sind viele Kriminelle jedoch schlauer geworden – sie tragen Masken, um ihr Gesicht zu verbergen, und benutzen Handschuhe, um keine Fingerabdrücke zu hinterlassen.

Dennoch ist es äußerst selten, dass ein Krimineller sein Schuhwerk abdeckt oder auch nur versucht, es zu verändern. Deshalb gibt es an praktisch jedem Tatort Spuren von Schuhen, die einen Verdächtigen direkt mit dem Verbrechen in Verbindung bringen können.

Wenn sie ordnungsgemäß dokumentiert und gesammelt werden, können solche Beweisstücke eine Fülle von Details liefern, die über die Identifizierung des Verdächtigen hinausgehen und es sogar ermöglichen, einen Teil des Verbrechens selbst zu rekonstruieren: Typ, Marke, Größe und spezifisches Modell des Schuhs, die Anzahl der Verdächtigen am Tatort, ihre Wege zum, durch und vom Tatort weg und möglicherweise sogar die Abfolge der Ereignisse, die stattfanden.

Von der Erfassung zum Vergleich

Nachdem ein Schuhabdruck vollständig oder teilweise erfasst worden ist, kann er mit Tausenden von Referenzschuhen über durchsuchbare Datenbanken wie SICAR, die National Footwear Reference Collection (NFRC), EverASM und SoleMate FPX verglichen werden.

Wenn eine Übereinstimmung gefunden wird, sehen die Ermittler alle Klassenmerkmale des Schuhs, das heißt die Merkmale, die bei der Herstellung entstanden sind, wie Logos, Designs, Laufflächenmuster und so weiter.

Die so genannten „individuellen“ oder „zufällig erworbenen“ Merkmale des Schuhs hingegen sind in keiner der oben genannten Datenbanken zu finden, da sie lediglich das Ergebnis fortlaufender Abnutzung und zufälliger Veränderungen sind. Diese Merkmale heben jeden Schuh von allen anderen ab.

Dazu gehören Kratzer, Kerben, Schnitte, Löcher, Abschürfungen, winzige Steinchen oder anderes Material, das sich zwischen den Laufflächen verkeilt. Was diese Kombinationen von Merkmalen so entscheidend für die Zuordnung eines bestimmten Schuhs zu einem am Tatort gefundenen Abdruck macht, ist die astronomisch geringe Wahrscheinlichkeit, dass ein anderer Schuh an denselben Stellen ein oder mehrere der gleichen zufällig erworbenen Merkmale aufweist.

Ein forensischer Spezialist vergleicht ein Foto des Abdrucks mit dem Schuh

Nach Angaben des FBI beträgt die Oberfläche der Laufsohle eines Schuhs der Größe 41 etwa 16.000 Quadratmillimeter. Wenn also auch nur ein einziges zufälliges Merkmal vorhanden ist, das nur 1 mm groß ist, sei es ein Schnitt, ein Steinchen oder ein Kratzer, beträgt die Chance, dass dieses Merkmal auf einem anderen Schuh an der gleichen Stelle auftaucht, nur eins zu 16.000.

Dabei sind die Schuhgröße und die Sohlenform sowie die Ausrichtung, Form oder Größe des Merkmals noch nicht einmal berücksichtigt.

Erhöhen wir nun die Zahl auf zwei oder drei zufällige Merkmale an denselben Stellen auf zwei verschiedenen Schuhen, sinkt die Wahrscheinlichkeit noch einmal drastisch: bei zwei Merkmalen beträgt sie eins zu 127.992.000 und bei drei Merkmalen ist sie mikroskopisch klein: eins zu 683 Milliarden.

Zuordnung eines Abdrucks mit einem Schuh zu einem Verdächtigen

Um zu erläutern, wie diese Abdrücke in einer tatsächlichen Verbrechensuntersuchung verwendet werden, nehmen wir einmal an, dass ein Schuhprüfer mithilfe einer durchsuchbaren Datenbank feststellt, dass ein Mordverdächtiger ein Paar Nike Air Jordan XXXVI in Größe 49,5 getragen hat.

Der Prüfer kann die Suche auf den Träger dieses Schuhs eingrenzen, doch eine Identifizierung ist erst möglich, wenn er den am Tatort gemachten Schuhabdruck über die entsprechenden individuellen Merkmale, den so genannten „Fingerabdruck“ des Schuhs, mit dem tatsächlichen Schuh in Verbindung bringen kann.

Leider gehören Schuhabdrücke, so wichtig sie für die Ermittlungen auch sein mögen, zu den empfindlichsten Beweismitteln, die an einem Tatort oder in dessen Umgebung gefunden werden. Daher müssen sie sofort dokumentiert und eingesammelt werden, vor allem, wenn sie sich im Freien befinden und den Elementen der Natur ausgesetzt sind, ganz zu schweigen von der Gefahr der Verunreinigung durch Ersthelfer und Passanten.

Forensische Fotografie und Abgüsse: traditionelle Dokumentations- und Sammelmethoden

Im Laufe der Jahre hat sich das Verfahren zur Dokumentation von Schuhabdrücken durch die Aufnahme von Farbfotografien in professioneller Qualität folgendermaßen etabliert: Die Kamera muss dabei sorgfältig auf einem Stativ positioniert werden, wobei die Bildebene parallel zum Abdruck liegen muss, damit jedes Foto eine starre Skala auf derselben Ebene wie die Unterseite des Abdrucks enthält.

Bei der Erfassung von 2D-Schuhabdrücken (latent oder patent), die auf harten, flachen Oberflächen entstanden, sind entweder elektrostatische, klebende oder Gelatineabzüge erforderlich.

2D-Schuhabdrücke, bereit für die forensische Dokumentation

3D-Abdrücke, die in weicheren, unebenen Untergründen wie Sand oder Erde gefunden werden, erfordern aufgrund ihrer Tiefeneigenschaften entweder silikon- oder gipsbasierte Abdrucklösungen wie Dentalgips, der seit Jahrzehnten das Material erster Wahl ist.

Hindernisse bei der Abformung von Schuhabdrücken

Ein schwerwiegender Nachteil der Abdruckmethode ist, dass es sich dabei um einen kontaktintensiven Prozess handelt, was bedeutet, dass nur ein Versuch möglich ist, bevor die Spur derart beschädigt ist, dass sie nicht mehr als Beweismittel verwendet werden kann.

Sobald das Gussmaterial angemischt und fertig ist, muss es gleichmäßig und mit der richtigen Geschwindigkeit in den Schuhabdruck gegossen werden. Andernfalls kann das nach unten gerichtete Material den Abdruck leicht zerstören, noch bevor die Füllmasse aushärten kann. Der Erfolg dieses Ablaufs hängt in hohem Maße von den Fähigkeiten des am Tatort arbeitenden Spezialisten ab.

Weitere Probleme können durch ein falsches Mischungsverhältnis oder durch Blasen im Mischmaterial entstehen, da dies wahrscheinlich zu Lücken im endgültigen, ausgehärteten Abdruck führt. Der Abdruck kann dann aus ermittlungstechnischer Sicht unbrauchbar werden.

Eine weitere Schwierigkeit bei der beschriebenen Methode besteht darin, dass das Gussmaterial häufig Steine, Felsen, Schmutz, Gras, Zweige und andere Fremdkörper aufnimmt, so dass sie Teil des Gusses werden. Doch bevor solche Materialien aus den Abgüssen herausgepickt werden können, muss das Gussmaterial erst vollständig aushärten, da sonst die Abgüsse ernsthaft beschädigt werden können.

3D-Schuhabdruck (aus Dentalgips) am Tatort

Noch am Tatort braucht der Abdruck 45 Minuten bis eine Stunde, um auszuhärten. Erst dann kann er abtransportiert und für die 24-48 Stunden, die er zum vollständigen Aushärten benötigt, sicher gelagert und anschließend je nach Bedarf von Ablagerungen gereinigt werden.

Wenn 3D-Schuhabdrücke im Schnee angefertigt werden müssen, ist eine andere Vorgehensweise erforderlich. Denn während ein Abdruck auf Gipsbasis trocknet, gibt er auch Wärme ab, die ausreicht, um den Schnee zum Schmelzen zu bringen.

Um dies zu verhindern, kann ein Produkt wie Snow Print Wax® auf den Schneeabdruck aufgesprüht werden. Dabei sollte man darauf achten, nicht zu dicht zu sprühen oder zu viel aufzutragen, da dies das ursprüngliche Abdruckmuster verzerren könnte. Sobald das Spray getrocknet ist, kann das Gussmaterial vorsichtig in den Abdruck gegossen werden.

Ein Schuhabdruck im Schnee

Erst wenn die Abdrücke vollständig getrocknet sind, sollten sie transportiert und für die Untersuchung verwendet werden. Da sie als Beweismittel sowohl vor einem Ermittlungsverfahren als auch möglicherweise darüber hinaus aufbewahrt werden müssen, sind stets die beträchtliche Größe und Gewicht solcher Gussabdrücke zu berücksichtigen, zumal sie auch anfällig für Zerbrechen sind, wenn sie etwa fallen gelassen oder falsch gehandhabt werden.

3D-Scannen für eine schnelle und einfache, zerstörungsfreie Beweissicherung

Als Edmond Locard, der Vater der forensischen Wissenschaft, vor mehr als einem Jahrhundert der Welt verkündete, dass „jede Berührung eine Spur hinterlässt“, bezog er sich damit vielleicht auch auf die Methoden der Beweissicherung und darauf, dass diese ausnahmslos die Beweise selbst zumindest verändern, wenn nicht sogar zerstören können.

Heute verwenden immer mehr Strafverfolgungsbehörden und Ermittler 3D-Scanner zur Dokumentation und Sammlung von Beweismitteln, einschließlich Schuhabdrücken. 3D-Scanner sind in Bezug auf das zu erfassende Objekt berührungslos und zerstörungsfrei, was sie zu einer idealen Wahl für die hier beschriebene Aufgabe macht. Denn das Scannen kann in jedem Fall einfach und sicher durchgeführt werden, ohne Gefahr, dass die Beweise beschädigt werden.

Im Gegensatz zu den stundenlangen Wartezeiten, die erforderlich sind, bis Abdrücke von Schuhen getrocknet sind, können 3D-Modelle bereits wenige Minuten nach der Aufnahme fertiggestellt werden, und das sogar direkt am Tatort. Anschließend können sie sehr einfach mit anderen Ermittlern, Technikern und Behörden in der Stadt, im Bundesland oder wo auch immer geteilt werden.

Einige 3D-Scanner können sogar zur Erfassung von Schuhabdrücken im Schnee verwendet werden, wie die folgenden beiden Screenshots zeigen, welche uns von unserem Gold-zertifizierten Artec Partner Patrick Thorn zur Verfügung gestellt wurden. Die Bilder zeigen das Ergebnis eines einminütigen, mit Artec Leo angefertigten Scans von Spuren im Schnee in England.

Screenshot von Artec Studio mit Leo Scans von Schuhabdrücken im Schnee. Foto: Patrick Thorn

Wie bereits erläutert, haben viele Spurensicherungsteams trotz der Verfügbarkeit spezieller Sprays zum Schutz des Schnees vor Beschädigungen während des Abdruckverfahrens vor Ort entweder keinen Zugang zu den nötigen Hilfsmitteln oder einfach nicht die Zeit und die Ressourcen, um den Abschluss des 24- bis 48-stündigen Abdruckverfahrens abzuwarten.

Screenshot von Artec Studio mit Leo Scans (ohne Textur) von Schuhabdrücken im Schnee. Foto: Patrick Thorn

Abwägung der Methoden zur Beweissicherung: 3D-Scannen vs. Photogrammetrie und Abguss

Kürzlich wurde eine forensische Forschungsstudie durchgeführt, um herauszufinden, ob auf 3D-Scanning fußende Lösungen einen geeigneten Ersatz für das Abgießen von Schuhabdrücken darstellen können und wie gut sie im Vergleich zur modernen digitalen Photogrammetrie abschneiden.

Die Studie Recovery of Footwear Impression Evidence Using Portable 3D Scanning Technologies (Sicherung von Schuhabdrücken mit Hilfe tragbarer 3D-Scantechnologien) wurde von der forensischen Wissenschaftlerin und Studentin der Ontario Tech University, Julia Harvey, im Rahmen ihrer Bachelor's Honors Research Thesis (Bachelorarbeit mit Auszeichnung) des FEPAC-akkreditierten Studiengangs Forensic Science durchgeführt.

Harvey konnte die Ziele ihrer Forschung in Zusammenarbeit mit Eugene Liscio, P.Eng. von ai2-3D Forensics, Theresa Stotesbury PhD, Ontario Tech University, und lokalen Polizeibehörden erreichen. Im Mittelpunkt der Studie stand Artec Space Spider, ein professioneller tragbarer 3D-Scanner, welcher – zusammen mit der Software Artec Studio – in der Forensik, Paläontologie, Medizin und vielen anderen Bereichen seit Jahren sehr beliebt ist.

Die Forensikerin Julia Harvey verwendet Artec Space Spider zur Dokumentation eines dreidimensionalen Schuhabdrucks. Foto: Eugene Liscio, P.Eng., ai2-3D Forensics

Space Spider erfasst bis zu einer Million Datenpunkte pro Sekunde mit einer Genauigkeit von 0,05 mm (der Breite eines menschlichen Haares) und ermöglicht es dem Nutzer, selbst die komplexesten Schuhabdrücke in weniger als einer Minute zu scannen, ohne dass Zielmarken oder andere Markierungen erforderlich sind.

Durchführung der Studie, Schritt für Schritt

Als Kernstück des Arbeitsablaufs erstellte Harvey vier separate Schuhabdrücke (mit einem Stiefel und einem Turnschuh) in zwei verschiedenen Substraten (Erde und Sand) und führte Entfernungsberechnungen in CloudCompare durch, um die Genauigkeit der aus den Space Spider Scans resultierenden 3D-Modelle im Vergleich zu den 3D-Modellen, die mit Photogrammetrie erstellt wurden, zu bestimmen. Für die Erfassung der Abdrücke mittels Photogrammetrie wurde eine Nikon 24,1 MP D7100 DSLR verwendet.

3D-Beweise werden zum Leben erweckt: Die Forensikerin Julia Harvey dokumentiert einen dreidimensionalen Schuhabdruck mit Artec Space Spider. Foto: Eugene Liscio, P.Eng., ai2-3D Forensics

Die Ergebnisse der Studie sind unter anderem folgende: Abstandsberechnungen zwischen den mit Artec Space Spider entstandenen Punktwolken und hochauflösenden 3D-Basismodellen, die mit einem auf einem Stativ montierten 3D-Scanner erstellt wurden, ergaben, dass 97 % der Punkte einen absoluten Abstand von 0,492 mm oder weniger aufwiesen. Die gleichen Berechnungen für die Photogrammetrie und die 3D-Basismodelle ergaben, dass 97 % der Punkte einen absoluten Abstand von 0,512 mm oder weniger aufwiesen.

Der Wärmebildvergleich zeigt die überlegene Genauigkeit von Space Spider (oben) gegenüber der Photogrammetrie (unten) bei der Dokumentation von dreidimensionalen Schuhabdrücken. Foto: Eugene Liscio, P.Eng., ai2-3D Forensics

„Wie die Ergebnisse unserer Studie zeigen, wird es mit Artec Space Spider möglich, dass ein tragbarer 3D-Scanner bei der Erfassung von Schuhabdrücken an Tatorten den klassischen Gussabdruck ersetzen kann. Die Ergebnisse sind ähnlich wie bei einer 2D-Fotografie, mit dem zusätzlichen Vorteil, dass man sämtliche Details eines Abdrucks aus nächster Nähe und aus jedem möglichen Winkel betrachten kann“, so Harvey.

Nicht jeder beliebige 3D-Scanner ist jedoch ausreichend. Professionelle 3D-Scanner haben in der Regel eine viel höhere Genauigkeit und einen geringeren Rauschpegel als billigere Lösungen. Harveys Untersuchungen zeigen, dass ein zu starkes Rauschen in einem Scan dazu führt, dass der Abdruck erneut gescannt werden muss, was die für die Spurensicherung benötigte Zeit vervielfachen kann.

Screenshot von Artec Studio mit Space Spider Scan eines Stiefelabdrucks. Foto: Eugene Liscio, P.Eng., ai2-3D Forensics

Darüber hinaus können Abdrücke in verschiedenen Untergründen wie nasser Erde oder Schlamm für viele 3D-Scanner aufgrund übermäßiger Reflektivität und anderer Problemen eine Herausforderung darstellen. Daher sollten derartige Szenarien vor der tatsächlichen Verwendung am Tatort getestet werden, um sicherzustellen, dass das gewählte Gerät in der Lage ist, den gesamten Abdruck zu erfassen, einschließlich aller wichtigen kleinen und individuellen Merkmale.

Screenshot von Artec Studio mit Space Spider Scan (ohne Textur) eines Stiefelabdrucks. Foto: Eugene Liscio, P.Eng., ai2-3D Forensics

Abgesehen von der Genauigkeit des 3D-Scannens im Vergleich zur Photogrammetrie profitieren Forensiker und Behörden von mehreren weiteren Aspekten, darunter die folgenden:

- die Geschwindigkeit der Erfassung (weniger als eine Minute pro Abdruck)

- die Möglichkeit, noch am Tatort Analysen durchzuführen (für Abstandsberechnungen zwischen Sohlenmerkmalen und individuellen Merkmalen)

- die einfache Speicherung und gemeinsame Nutzung von 3D-Daten zwischen Abteilungen und Behörden

- die Möglichkeit des 3D-Drucks naturgetreuer Repliken für Gerichts- oder Ermittlungszwecke

3D-gedruckte maßstabsgetreue Modelle von forensischen Schuhabdrücken zu Demonstrationszwecken. Foto: Eugene Liscio, P.Eng., ai2-3D Forensics

Harvey würde es begrüßen, wenn die Forschung in Zukunft auch die 3D-Erfassung unvollständiger Schuhabdrücke sowie von Abdrücken auf verschiedenen Untergründen oder bei unterschiedlichen Wetterbedingungen umfassen würde. Auch 3D-Vergleiche zwischen bekannten und unbekannten Schuhabdrücken könnten für Strafverfolgungsbehörden nützlich sein.

„Über die Erfassung von Schuhabdrücken an Tatorten hinaus können professionelle 3D-Scanner so viel mehr leisten – von der Dokumentation von Blutfleckenmustern, Einschusslöchern, menschlichen Körpern und Überresten bis hin zu Waffen, Werkzeugen und anderen Objekten, einschließlich der gesamten Umgebung des Tatorts. Ich glaube, wir stehen erst am Anfang dessen, was 3D-Scans in der Forensik und anderswo leisten können“, so Harvey.