地面三維激光掃描系統主要由三維激光掃描儀、計算機控制單元、電源供應系統、支架以及系統配套軟件構成，其重要組成部分三維激光掃描儀由計時器、激光脈沖發射器、激光接收器、測角系統、內驅動裝置、CCD 相機、控制系統及其他輔助功能系統構成。
三維激光掃描儀器工作時，由激光測距系統向被測物體發射激光，由計時系統記錄激光從發射到返回的時間，同時測角系統捕獲掃描儀器與被測物體間的水平角和豎直角，通過系統集成的驅動馬達和激光轉向鏡對掃描區域進行覆蓋式掃描，以此實現對被測物體的三維坐標采集。
在獲取目標物體的三維坐標信息的同時，會同步記錄各點位的激光反射強度（Intensity），并由 CCD相機獲取目標物體各個點位的 RGB 色彩信息。因此所得到的點云數據不再是傳統全站儀所獲得的三維坐標數據，而是包含了反射強度和 RGB 色彩數字信息的更為豐富的數據。
三維激光掃描儀器在測量的過程中，以自身定義的坐標系統為基準，激光發射點亦即水平與豎直旋轉軸的交點為坐標原點，Z 軸豎直向上位于豎向掃描面內，向上為正；X 軸與 Y 軸互相垂直于所在的平面內，Y 軸正向指向物體，且與 X 軸、Z 軸一起構成右手坐標系。如下圖所示。
三維激光掃描儀器并不是直接獲得被測物體的坐標，是通過激光所測的距離與水平角和豎直角反算得到被測物體的三維坐標。儀器實測的數據有激光發射到返回的時間？？？，距離 S，垂直角度？？與水平角度？？，則點的三維坐標可由下式解算出：
其中 C 是光速，？？？為激光往返的時間。三維激光掃描儀的主要技術激光測距技術從測距原理上可分為三種：基于脈沖往返時間測量距離的脈沖測距法、激光三角法及利用相位測量原理的相位測距法。激光三角法利用于光斑成像位置轉為“角邊角問題”求解三角形計算距離的。
相位測距法利用不間斷的整數波長，通過記錄信號往返傳播產生的相位差，間接計算被測物體的距離，由下式可得出距離 S。
其中 c 為光速，？是相位差，？？是信號往返相位差不足 2??部分，f 是脈沖頻率，n 是調制信號半波長整數，？？？為不足波長的小數部分。
