おそらく、もとの画像ファイルがインデックス付き画像ファイルになっていることが原因と思われます。
その場合、以下のようにいったん通常のRGB画像に変換したうえでグレースケール化すれば大丈夫です。
[IDX, cmap] = imread('2007_000033.png'); % インデックスとカラーマップを読み込み
RGB = ind2rgb(IDX, cmap); % 両者から通常のRGB画像に変換
I = rgb2gray(RGB); % グレースケール画像に変換