The potential of virtual fencing for cattle and goats with regard to learning behaviour and animal welfare

by Lisa Wilms
Doctoral thesis
Date of Examination:2025-09-19
Date of issue:2025-10-16
Advisor:Prof. Dr. Johannes Isselstein
Referee:Prof. Dr. Johannes Isselstein
Referee:Prof. Dr. Imke Traulsen
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-11548

 

 

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Description:Dissertation

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Abstract

English

The modern fencing technology ‘virtual fencing’ is becoming increasingly popular worldwide because it promises to make farmers’ work easier. Instead of actual physical fences, the virtual fence lines are invisible to the animals and are indicated by acoustic signals emitted by collars that the animals must wear. The fence lines can be modified remotely by the farmers at any time via an app, making the system flexible. This requires a stable mobile phone connection and a GPS signal, which also allows the farmers to locate and monitor their animals. Similar to electric fences, an electric pulse acts as a punishment if the animal does not turn away in response to the acoustic signal. To ensure that the animal remains within the virtual fence and does not receive permanent electric pulses, it must learn to associate the signals and react appropriately to the acoustic signal. Although many studies have proven that cattle, sheep, and goats are generally capable of this learning process, concerns still exist regarding the welfare of virtually fenced animals. The present thesis addresses these issues from various perspectives. In Chapter one, a systematic review was conducted, analysing the results of virtual fencing studies with cattle regarding the animals’ learning process and welfare. It was demonstrated that cattle learn to avoid receiving electric pulses as the calculated ratio of the number of electric pulses to acoustic signals decreased significantly over time. Also, the welfare parameters examined revealed no significant differences between the virtually and physically fenced cattle that could be reliably attributed to the virtual fencing system. Still, due to the small number of studies at that time, further investigations were recommended. Chapter two describes a virtual fencing experiment with a focus on the learning behaviour and welfare of goats. In a cross-over design, twenty ‘Blobe’ goats with offspring were either virtually or physically fenced for 12 days and underwent a virtual fencing training protocol by Hamidi et al. (2022). Observations of the goats’ basic behaviours and faecal cortisol metabolite measures as stress indicator were conducted to evaluate welfare. Except for higher values of standing vigilant in virtually fenced groups, no differences were found between the fencing systems. In addition, the development of the numbers of acoustic signals and electric pulses indicated successful learning at herd level. Overall, the results were promising, but further studies are needed to find out whether virtual fencing can negatively affect the welfare of goats. Based on the concerns on the welfare of virtually fenced animals and the legal hurdles of virtual fencing in many European countries, Chapter three deals with the potential of acoustic signals emitted by virtual fencing collars. In a first experiment, different acoustic signals and vibrations were tested to find a potential replacement for the electric pulse. However, none of the signals tried were efficient enough to change the behaviour of grazing cattle sufficiently and in the long-term. The second experiment was based on the idea that the movement behaviour of cattle on pasture could be influenced to improve grazing management. Although various training approaches were tried, cattle could not be taught to adjust their direction of travel in response to an acoustic signal while walking to a feed source. Finally, it was recommended to test different signals and a different training protocol for the first and second experiment, respectively. Overall, the results of the three chapters in combination with the insights from the General Discussion demonstrate that at least cattle can be virtually fenced, as they are generally capable of the necessary learning process and no clear disadvantage for their welfare has been proven in the studies conducted so far. For this animal species, legal changes should be considered where virtual fencing or the use of electricity on animals is prohibited, and official regulations are introduced in countries where virtual fencing is commercially available in order to ensure animal welfare. At the same time, research into a potential replacement for the electric pulse should be continued to have a current-free alternative for individual cases. Since the current research for goats is still limited, further studies are needed, especially to assess the welfare of virtually fenced goats. Finally, virtual fencing brings many benefits for farmers, animals, and the environment, and has the potential to replace physical fences in the future under certain conditions.
Keywords: Virtual Fencing; Animal welfare; Learning behaviour; cattle; Precision livestock farming; goats

German

Die moderne Zäunungstechnologie „Virtual Fencing“ (virtuelles Zäunen) erfreut sich weltweit zunehmender Beliebtheit, weil sie verspricht, die Arbeit von Landwirten zu erleichtern. Anders als bei physischen Zäunen, sind die virtuellen Zaunlinien für die Tiere unsichtbar und werden von akustischen Signalen angekündigt, die von Halsbändern abgegeben werden, die die Tiere tragen müssen. Die Zaunlinien können von den Landwirten jederzeit aus der Ferne in einer App geändert werden, was das System flexibel macht. Voraussetzung dafür sind eine stabile Mobilfunkverbindung und ein GPS-Signal, mit dem die Landwirte ihre Tiere auch orten und überwachen können. Ähnlich wie bei elektrischen Zäunen gibt es einen elektrischen Impuls als Strafe, wenn sich das Tier auf das akustische Signal hin nicht abwendet. Um sicherzustellen, dass das Tier innerhalb des virtuellen Zauns bleibt und keine wiederholten Stromimpulse erhält, muss es lernen, die Signale zu assoziieren und angemessen auf das akustische Signal zu reagieren. Obwohl viele Studien bewiesen haben, dass Rinder, Schafe und Ziegen im Allgemeinen zu diesem Lernprozess in der Lage sind, bestehen nach wie vor Bedenken hinsichtlich des Wohlergehens von virtuell eingezäunten Tieren. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit diesen Fragen aus verschiedenen Blickwinkeln. In Kapitel eins wurde eine systematische Übersichtsarbeit durchgeführt, in der die Ergebnisse von Studien über Virtual Fencing mit Rindern im Hinblick auf den Lernprozess der Tiere und ihr Wohlergehen analysiert wurden. Es wurde nachgewiesen, dass Rinder lernen, elektrische Impulse zu vermeiden, da das berechnete Verhältnis zwischen der Anzahl der elektrischen Impulse und der akustischen Signale im Laufe der Zeit deutlich abnahm. Auch bei den untersuchten Tierschutzparametern zeigten sich zwischen den virtuell und den physisch eingezäunten Rindern keine signifikanten Unterschiede, die zuverlässig auf das virtuelle Zaunsystem zurückgeführt werden könnten. Aufgrund der geringen Anzahl von Studien zu diesem Zeitpunkt wurden jedoch weitere Untersuchungen empfohlen. In Kapitel zwei wird ein Virtual Fencing-Experiment mit Schwerpunkt auf dem Lernverhalten und dem Wohlergehen von Ziegen beschrieben. In einem Cross-over-Design wurden zwanzig „Blobe“-Ziegen mit Nachkommen 12 Tage lang entweder virtuell oder physisch eingezäunt und durchliefen ein Virtual Fencing-Trainingsprotokoll von Hamidi et al. (2022). Zur Bewertung des Wohlbefindens wurden Beobachtungen der grundlegenden Verhaltensweisen der Ziegen und fäkale Kortisolmetabolitenmessungen als Stressindikator durchgeführt. Abgesehen von den höheren Werten für aufmerksames Stehen in den virtuell eingezäunten Gruppen wurden keine Unterschiede zwischen den Zaunsystemen festgestellt. Darüber hinaus deutete die Entwicklung der Anzahl akustischer Signale und elektrischer Impulse auf ein erfolgreiches Lernen auf Herdenebene hin. Insgesamt waren die Ergebnisse vielversprechend, aber es sind weitere Studien erforderlich, um herauszufinden, ob virtuelle Zäune das Wohlergehen der Ziegen negativ beeinflussen kann. Angesichts der Bedenken hinsichtlich des Wohlergehens virtuell eingezäunter Tiere und der rechtlichen Hürden für virtuelle Zäune in vielen europäischen Ländern befasst sich Kapitel drei mit dem Potenzial akustischer Signale von Virtual Fencing-Halsbändern. In einem ersten Experiment wurden verschiedene akustische Signale und Vibrationen getestet, um einen möglichen Ersatz für den elektrischen Impuls zu finden. Keines der getesteten Signale war jedoch effizient genug, um das Verhalten von Rindern ausreichend und langfristig zu verändern. Das zweite Experiment basierte auf der Idee, dass das Bewegungsverhalten von Rindern auf der Weide beeinflusst werden könnte, um das Weidemanagement zu verbessern. Obwohl verschiedene Trainingsansätze ausprobiert wurden, konnte den Rindern nicht beigebracht werden, ihre Bewegungsrichtung auf dem Weg zu einer Futterquelle an akustische Signale anzupassen. Schließlich wurde empfohlen, für den ersten und zweiten Versuch jeweils andere Signale und ein anderes Trainingsprotokoll zu testen. Insgesamt zeigen die Ergebnisse der drei Kapitel in Kombination mit den Erkenntnissen aus der Allgemeinen Diskussion, dass zumindest Rinder virtuell eingezäunt werden können, da sie in der Regel zu dem notwendigen Lernprozess fähig sind und in den bisher durchgeführten Studien kein eindeutiger Nachteil für ihr Wohlbefinden nachgewiesen werden konnte. Für diese Tierart sollten gesetzliche Änderungen in Betracht gezogen werden, wenn Virtual Fencing oder der Einsatz von Elektrizität am Tier verboten sind, und es sollten offizielle Regelungen in den Ländern eingeführt werden, in denen virtuelle Zäune kommerziell verfügbar sind, um den Tierschutz zu gewährleisten. Gleichzeitig sollte die Erforschung eines möglichen Ersatzes für den elektrischen Impuls fortgesetzt werden, um in bestimmten Fällen eine stromfreie Alternative zu haben. Da die derzeitige Forschung für Ziegen noch begrenzt ist, sind weitere Studien erforderlich, insbesondere zur Bewertung des Wohlbefindens von virtuell eingezäunten Ziegen. Abschließend lässt sich sagen, dass Virtual Fencing viele Vorteile für Landwirte, Tiere und die Umwelt mit sich bringt und das Potenzial hat, physische Zäune zukünftig unter bestimmten Bedingungen zu ersetzen.
 
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