本发明提出了一种物体几何表面三维扫描和数字化的系统、设备和方法。此系统包括一种自动参考的手持设备。因为不要任何定位设备提供6自由度的转换，所以此系统是自动参考的。当设备被用于扫描物体表面时，这种转换在把3D测量集成进全球坐标系统时是必需的。当扫描物体的几何表面时，此系统连续的计算其自身的位置并且根据观测结果来定向。为了具有此功能，系统应用了三角剖分理论并且集成进一种可以捕获来自于投影激光图案在物体表面上反射的表面点和来自于目标位置特征观测值的2D位置特征信息的设备。应用上述系统，可以同时进行位置特征的3D图像建立及匹配和对描述表面几何特征的3D表面点的累积。